Σ-Δ音频codec设计：过采样技术与数字滤波器实现

“基于Σ-Δ噪声整形技术和过采样技术的音频codec电路设计与实现，主要探讨了数字电路部分，包括过采样滤波器和DACΣ-Δ调制器，以及支持多种采样率和数字音频接口的音频codec芯片的实现流程。” 本文详细介绍了基于Σ-Δ（Sigma-Delta）噪声整形技术和过采样技术的音频编解码器（Codec）设计与实现。Σ-Δ调制器是音频Codec的核心组成部分，它在模拟电路中用于ADC（模拟到数字转换器），而在数字电路中则用于DAC（数字到模拟转换器）。这种技术的优势在于能够在保持高分辨率的同时，对模拟器件的匹配精度要求较低。此外，通过过采样技术，可以进一步提升系统的性能。 论文着重研究了Codec的数字电路部分，特别是过采样滤波器和1bit单环结构的DACΣ-Δ调制器。对于DACΣ-Δ调制器，选择1bit结构是为了简化电路，但同时也需要解决输入信号动态范围与系统稳定性之间的矛盾。通过切比雪夫（Chebyshev）高通滤波器逼近来确定系统参数，并优化零极点布局，确保了调制器的稳定性和性能。 过采样滤波器分为ADC中的抽取滤波器和DAC中的插值滤波器。多级化的实现方法降低了滤波器的计算复杂度，同时，ADC抽取滤波器中包含的去直流滤波器有助于消除Σ-Δ调制器引入的直流偏移。在DAC插值滤波器中，利用FIR滤波器的多相结构实现了高效插值。 考虑到芯片面积的限制，设计者采取了一系列优化策略，如左右声道数据处理共享组合电路，以及合理安排乘累加单元的处理时序，使得多个声道和滤波器级之间能最大程度地共享硬件资源。此外，该Codec还支持从8kHz到48kHz的多种采样率，数字音频位宽可从16位扩展到24位，并兼容I2S、DSP、左对齐和右对齐四种数字音频接口，以满足不同应用场景的需求。 设计流程包括系统设计、RTL代码编写、DFT（Design for Testability）设计、综合、布局布线、静态时序分析和时序验证等步骤，最后通过SMIC 0.18微米标准CMOS工艺进行流片，测试结果显示芯片性能达到了预期目标。 该研究深入探讨了Σ-Δ调制和过采样技术在音频Codec中的应用，提供了优化数字滤波器和硬件资源共享的解决方案，旨在实现高性价比、高性能的音频处理芯片。