音频模数转换器中梳状滤波器的设计

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1、音频模数转换器中梳状滤波器的设计研究答辩人：孙钢指导老师：刘素娟日期：2009年6月1.首先学习模数转换器的基本原理和相关知识。着重学习了其中的降采样滤波器设计研究中的关键技术和步骤。并对有关论文进行实时翻译。2.根据设计要求，设计出满足性能指标的梳状滤波器；并根据有关原则，尽量减少功耗和面积。具体使用MATLAB软件仿真。3.用VerilogHDL语言编译出梳状滤波器的具体硬件描述，并用VCS工具仿真。随后将VCS工具仿真结果与MATLAB仿真结果对比，观察结果是否符合要求，并得到结论。Sigma-Delta模数转换器的原理Sigma-Delta模数转换器又

2、称为过采样模数转换器，它采用增量编码方式即根据前一量值与后一量值的差值的大小来进行量化编码。Sigma-Delta模数转换器包括模拟Sigma-Delta调制器和数字抽取滤波器。Sigma-Delta调制器主要完成信号抽样及增量编码，它给数字抽取滤波器提供增量编码即Sigma-Delta码；数字抽取滤波器完成对Sigma-Delta码的抽取滤波，把增量编码转换成高分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。过采样技术从频域上分析ADC的采样，模拟输入信号的频谱特性如图1所示，fB是模拟输入信号的最高频率，当模拟输入信号被频率为fS的采样信号采样时，得到了如图所示的频谱

3、，从图中可以看出，如果采样信号频率fS小于2fB，如图2，频谱开始混叠，此时是不可能恢复出原始信号的，这可以用采样定理来解释就是:为了从采样信号中恢复出原始信号，采样频率必须至少是信号带宽的两倍。图1fs>fB图2fs

4、是128，音频信号带宽选择为24KHz，所以整个数字滤波器的输入为一个6.144MHz的单比特数据流。数字滤波器的第一级如果用低通滤波来除去带外噪声，特别是当降采样比较高的时候，这种窄带低通的硬件消耗会非常大。设计指标的确立而我们第一级采用了梳状滤波器，这是因为在降采样的过程中必须防止混叠现象的发生，即防止带外噪声通过采样叠加到带内信号上，从而降低带内的信噪比。而且它的零点恰好都在其降采样后频率的整数倍上，正好抑制了带外会产生混叠的频带部分，所以用梳状来承担主要的降采样功能，是最为简单有效地方法。梳状滤波器的特点1.在实现中不需要乘法器电路。2.属于整系数滤波

5、器，不需要电路来存储系数。3.通过在前面积分模块和差分模块之间的降频，与具有相同滤波性能的其它FIR滤波器比较，减少了大量的存储单元。图5梳状滤波器的滤波作用设计指标的确立由于梳状滤波器在低频响应部分就会产生较为明显的下滑，为了使之不影响音频带内的信噪比，同时又尽可能利用梳状滤波的特点进行降采样，因此本文选择第一级降采样后的频率，即梳状滤波器的第一个零点位置在4倍的Nyquist频率为192KHz，梳状滤波器的抽取率为M1=32。我们本课设计的Sigma-DeltaA/D调制器输出在168~192KHz频带内的噪声低于-70dB，而通过FFT计算，调制器输出信

6、号的noisefloor大约在-140dB左右，所以对于梳状滤波器要求在168KHz处的噪声抑制能力约为-70dB。图6多级抽取实现数字滤波器框图阶数的确定最简单的梳状滤波器由一个积分器、一个微分器和一个抽取单元组成，但这种结构的阻带衰减不够，对于抽取因子，第一旁瓣最大的衰减为13.5dB，限制了它的应用，在实际应用中常采用个单级滤波器级联，通过L级联后，阻带衰减可以增加到L*13.5dB。阶数的确定若N

7、<1/8,所以带内噪声谱在降采样前后仅相差0.25dB。若N>L+1则硬件消耗呈线性增加，但效果微乎其微。因此本文选择采用4阶梳状滤波器。阶数的确定基于上面的分析，编写Matlab程序对上面的结论进行验证，图7给出了阶数L分别为2、3、4时梳状滤波器的频率响应。从图7可以看出当L=4时梳状滤波器在168KHz处的噪声抑制能力大于-70dB，满足设计要求。图7阶数L分别为2、3、4时梳状滤波器的频率响应字长的确定梳状滤波器的传递函数中有极点，因此传输数据对于有限字长的运算就肯定会产生溢出。不过，若能选择适当的传输字长，并且在硬件实现中采用补码运算，则这种溢出误差

8、将不会影响滤波器的最终输出结果，并且滤