音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器中梳狀濾波器的設(shè)計(jì)課件

音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器中梳狀濾波器的設(shè)計(jì)研究答辯人：孫鋼指導(dǎo)老師：劉素娟日期：2009年6月

1.首先學(xué)習(xí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本原理和相關(guān)知識(shí)。著重學(xué)習(xí)了其中的降采樣濾波器設(shè)計(jì)研究中的關(guān)鍵技術(shù)和步驟。并對(duì)有關(guān)論文進(jìn)行實(shí)時(shí)翻譯。2.根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出滿足性能指標(biāo)的梳狀濾波器；并根據(jù)有關(guān)原則，盡量減少功耗和面積。具體使用MATLAB軟件仿真。3.用VerilogHDL語(yǔ)言編譯出梳狀濾波器的具體硬件描述，并用VCS工具仿真。隨后將VCS工具仿真結(jié)果與MATLAB仿真結(jié)果對(duì)比，觀察結(jié)果是否符合要求，并得到結(jié)論。Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的原理

Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器又稱為過(guò)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它采用增量編碼方式即根據(jù)前一量值與后一量值的差值的大小來(lái)進(jìn)行量化編碼。Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器包括模擬Sigma-Delta調(diào)制器和數(shù)字抽取濾波器。Sigma-Delta調(diào)制器主要完成信號(hào)抽樣及增量編碼，它給數(shù)字抽取濾波器提供增量編碼即Sigma-Delta碼；數(shù)字抽取濾波器完成對(duì)Sigma-Delta碼的抽取濾波，把增量編碼轉(zhuǎn)換成高分辨率的線性脈沖編碼調(diào)制的數(shù)字信號(hào)。圖1fs>fB圖2fs<fB圖3不同采樣頻率下的量化噪聲分布噪聲整形技術(shù)圖4經(jīng)過(guò)Sigma-Delta調(diào)制器的量化噪聲譜設(shè)計(jì)指標(biāo)的確立本設(shè)計(jì)中Sigma-Delta調(diào)制器的過(guò)采樣是128，音頻信號(hào)帶寬選擇為24KHz，所以整個(gè)數(shù)字濾波器的輸入為一個(gè)6.144MHz的單比特?cái)?shù)據(jù)流。數(shù)字濾波器的第一級(jí)如果用低通濾波來(lái)除去帶外噪聲，特別是當(dāng)降采樣比較高的時(shí)候，這種窄帶低通的硬件消耗會(huì)非常大。設(shè)計(jì)指標(biāo)的確立

而我們第一級(jí)采用了梳狀濾波器，這是因?yàn)樵诮挡蓸拥倪^(guò)程中必須防止混疊現(xiàn)象的發(fā)生，即防止帶外噪聲通過(guò)采樣疊加到帶內(nèi)信號(hào)上，從而降低帶內(nèi)的信噪比。而且它的零點(diǎn)恰好都在其降采樣后頻率的整數(shù)倍上，正好抑制了帶外會(huì)產(chǎn)生混疊的頻帶部分，所以用梳狀來(lái)承擔(dān)主要的降采樣功能，是最為簡(jiǎn)單有效地方法。圖5梳狀濾波器的濾波作用設(shè)計(jì)指標(biāo)的確立

由于梳狀濾波器在低頻響應(yīng)部分就會(huì)產(chǎn)生較為明顯的下滑，為了使之不影響音頻帶內(nèi)的信噪比，同時(shí)又盡可能利用梳狀濾波的特點(diǎn)進(jìn)行降采樣，因此本文選擇第一級(jí)降采樣后的頻率，即梳狀濾波器的第一個(gè)零點(diǎn)位置在4倍的Nyquist頻率為192KHz，梳狀濾波器的抽取率為M1=32

。我們本課設(shè)計(jì)的Sigma-DeltaA/D調(diào)制器輸出在168~192KHz頻帶內(nèi)的噪聲低于-70dB，而通過(guò)FFT計(jì)算，調(diào)制器輸出信號(hào)的noisefloor大約在-140dB左右，所以對(duì)于梳狀濾波器要求在168KHz處的噪聲抑制能力約為-70dB。階數(shù)的確定

最簡(jiǎn)單的梳狀濾波器由一個(gè)積分器、一個(gè)微分器和一個(gè)抽取單元組成，但這種結(jié)構(gòu)的阻帶衰減不夠，對(duì)于抽取因子，第一旁瓣最大的衰減為13.5dB，限制了它的應(yīng)用，在實(shí)際應(yīng)用中常采用個(gè)單級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)，通過(guò)L級(jí)聯(lián)后，阻帶衰減可以增加到L*13.5dB。階數(shù)的確定

若N<L的情況下，則降采樣混疊噪聲將非常大。在N=L情況下，降采樣前后帶內(nèi)噪聲譜密度相差，由于M=32，所以前后相差7.5dB左右。在N=L+1的情況下，N+f0<1/8,所以帶內(nèi)噪聲譜在降采樣前后僅相差0.25dB。若N>L+1則硬件消耗呈線性增加，但效果微乎其微。因此本文選擇采用4階梳狀濾波器。階數(shù)的確定

基于上面的分析，編寫Matlab程序?qū)ι厦娴慕Y(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，圖7給出了階數(shù)L分別為2、3、4時(shí)梳狀濾波器的頻率響應(yīng)。從圖7可以看出當(dāng)L=4時(shí)梳狀濾波器在168KHz處的噪聲抑制能力大于-70dB，滿足設(shè)計(jì)要求。字長(zhǎng)的確定

梳狀濾波器的傳遞函數(shù)中有極點(diǎn)，因此傳輸數(shù)據(jù)對(duì)于有限字長(zhǎng)的運(yùn)算就肯定會(huì)產(chǎn)生溢出。不過(guò)，若能選擇適當(dāng)?shù)膫鬏斪珠L(zhǎng)，并且在硬件實(shí)現(xiàn)中采用補(bǔ)碼運(yùn)算，則這種溢出誤差將不會(huì)影響濾波器的最終輸出結(jié)果，并且濾波器的輸出結(jié)果不會(huì)溢出。字長(zhǎng)的確定

數(shù)據(jù)量化的字長(zhǎng)是:N㏒2D+㏒2Ri由于本設(shè)計(jì)調(diào)制器的輸出為1比特的數(shù)據(jù)，Ri=1，N=4，降采樣率D是32，所以最終選擇的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為20比特。系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化——置換原則的應(yīng)用

通常降采樣的執(zhí)行是在數(shù)字濾波器的輸出信號(hào)中進(jìn)行抽取的處理。由于經(jīng)過(guò)抽取，數(shù)字濾波器的大量運(yùn)算將被棄用，這樣對(duì)芯片功耗和硬件消耗極大的浪費(fèi)，所以在本設(shè)計(jì)中采用一種降采樣的轉(zhuǎn)置形式，以克服上述所說(shuō)的缺點(diǎn)。系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化——置換原則的應(yīng)用

圖8中的（a）和（b）是一對(duì)等效的濾波器降采樣的結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出如果將濾波器傳遞函數(shù)從H(ZD)轉(zhuǎn)變成為H(Z)，則濾波器的位置就能夠放在降采樣開關(guān)的后面，而不影響輸入至輸出的頻率響應(yīng)，反義亦然。

應(yīng)用置換原則，有如下的優(yōu)點(diǎn)：1.由于先降采樣后濾波使得濾波器的運(yùn)算均為有效運(yùn)算，防止了功耗上的浪費(fèi)。2.降采樣后濾波器的工作頻率降低，因此要得到同樣的通帶頻率和阻帶抑制，脈沖響應(yīng)系數(shù)的數(shù)量就可以大大減少，節(jié)約了硬件消耗。3.如設(shè)計(jì)要求中提到的梳狀濾波器，當(dāng)傳遞函數(shù)改為H(Z)后，延時(shí)寄存器的數(shù)量?jī)H需要是H(ZD)時(shí)的1/D。

圖12Matlab中搭建的系統(tǒng)仿真框圖

圖13調(diào)制器輸出的頻譜圖（觀測(cè)范圍在即1500KHz）

圖15調(diào)制器輸出的頻譜圖（觀測(cè)范圍在即100KHz內(nèi)）

圖16調(diào)制器輸出的頻譜圖（觀測(cè)范圍在即24KHz內(nèi)）

圖17梳狀濾波器的輸出頻譜圖在190K內(nèi)

圖18梳狀濾波器的輸出頻譜圖在24K內(nèi)

梳狀濾波器的硬件描述

梳狀濾波器分為四個(gè)基本模塊，分別為integrator,outgrator,threetwo,three。integrator模塊

Integrator為積分器，包括一個(gè)D觸發(fā)器和一個(gè)加法器，包括四個(gè)輸入信號(hào)，分別為INTEIN,RST_N,clk,INTEIN為輸入信號(hào)，RST_N為復(fù)位端，clk為時(shí)鐘信號(hào)；一個(gè)輸出信號(hào)為INTEOUT(如圖19)。圖19積分器

outgrator模塊

outgrator模塊為差分器，包括一個(gè)減法器和一個(gè)D觸發(fā)器。它包括四個(gè)輸入端口，分別為INTEIN,RST_N,clk,EN_192，INTEIN為輸入看端口，RST_N為復(fù)位端，EN_192為始能端，clk為時(shí)鐘信號(hào)；一個(gè)輸出端口：INTEOUT，如圖21。圖21差分器three模塊three模塊是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)數(shù)器，嵌入進(jìn)threetwo模塊中，來(lái)輔助控制時(shí)鐘信號(hào)的始能端。three模塊包括兩個(gè)輸入信號(hào)：clk，RST_N，一個(gè)輸出信號(hào)：ent。threetwo模塊

threetwo為整個(gè)梳狀濾波器的計(jì)數(shù)器的始能端控制信號(hào)，控制梳狀濾波器的計(jì)數(shù)情況。threetwo模塊的設(shè)計(jì)是為了即滿足整個(gè)模塊只有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，又完成實(shí)現(xiàn)幾個(gè)不一樣的始能端EN,EN_192,EN_96,EN_48。top模塊top頂層模塊包括上述介紹的四個(gè)基本模塊，大體結(jié)構(gòu)如圖23所示。它包括三個(gè)輸入信號(hào)：clk,COMB_IN,RST_N;clk為時(shí)鐘信號(hào)，COMB_IN為梳狀濾波器的輸入信號(hào)，RST_N為復(fù)位端；一個(gè)輸出信號(hào)：COMB_OUT。圖23梳狀濾波器測(cè)試程序根據(jù)top頂層模塊的編寫程序，編寫梳狀濾波器的測(cè)試程序。仿真結(jié)果分析

通過(guò)VerilogHDL語(yǔ)言對(duì)梳狀濾波器的硬件描述，用LINUX系統(tǒng)下的VCS仿真工具仿真，得到梳狀濾波器的輸出信號(hào)，如圖24（數(shù)字輸出形式）和25（模擬輸出形式）。圖24梳狀濾波器VCS工具仿真圖（數(shù)字輸出形式）

圖25梳狀濾波器VCS工具仿真圖（模擬輸出形式）

圖26梳狀濾波器的輸出頻譜圖在24K內(nèi)

仿真結(jié)果分析

將文件comb.out的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中進(jìn)行分析，得到圖26（梳狀濾波器的輸出頻譜圖在24K內(nèi)）。將硬件描述的仿真結(jié)果和梳狀濾波器的系統(tǒng)級(jí)的仿真結(jié)果做比較，可以看出梳狀濾波器的硬件描述完全正確。信噪比為103dB，滿足要求。

首先感謝各位老師對(duì)我這次答辯的審查。感謝劉素娟老師，在她細(xì)心地輔導(dǎo)下，我順利完成了畢業(yè)論文，學(xué)到了很多很重