中文引用格式： 吳永麗，許增輝，錢波，等. 基于FPGA的音頻Sigma-Delta調制器設計與實現[J]. 電子技術應用，2025，51(6)：99-104.
英文引用格式： Wu Yongli，Xu Zenghui，Qian Bo，et al. Design and implementation of audio sigma-delta modulator based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(6)：99-104.
引言
在音視頻領域中，隨著數字存儲技術的不斷發展，數字音源得到了廣泛普及。在音頻播放系統中，數字音源需要經過音頻數模轉換器（Digital to Analog Converter, DAC）轉換為模擬音頻信號以驅動音頻功放或直接驅動揚聲器發聲[1-2]。音頻DAC按輸入信號的采樣頻率不同，可分為兩大類：Nyquist型DAC[3]和過采樣型DAC[4]。一般情況下，Nyquist型音頻DAC受限于工作頻率和制造工藝，其轉換精度往往不是很高。而過采樣型音頻DAC通常采用插值濾波器和Sigma-Delta調制器，利用過采樣和噪聲整形技術以提高音頻DAC的輸出性能，使DAC能夠實現較高的轉換精度[5]。通常，包含Sigma-Delta調制器的過采樣型音頻DAC又稱為Sigma-Delta DAC[6]。Sigma-Delta DAC的一般整體框架圖如圖1所示，其主要由插值濾波器、Sigma-Delta調制器、開關電容DAC和重構濾波器組成，其中，插值濾波器和Sigma-Delta調制器可由數字電路來實現。
圖1 Sigma-Delta DAC的一般整體框架圖
由于音頻Sigma-Delta DAC的轉換精度一般高于Nyquist型音頻DAC，因此，其更適用于高性能音視頻設備中。對于音頻Sigma-Delta DAC，基于現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）對其內部的Sigma-Delta調制器進行設計與實現可降低系統的設計復雜度，節約系統的實現成本，同時，FPGA的可編程特性可使Sigma-Delta DAC的設計變得更加靈活[7]。
本文著重對音頻Sigma-Delta DAC內的Sigma-Delta調制器進行設計，通過對其進行系統級設計，并利用硬件描述語言（Hardware Description Language, HDL）描述，將其在FPGA上實現。本文首先簡要闡述了Sigma-Delta調制器的工作原理。然后，基于MATLAB對用于音頻Sigma-Delta DAC的Sigma-Delta調制器進行了系統級設計，并基于FPGA實現了一個音頻Sigma-Delta調制器。最后，基于所實現的音頻Sigma-Delta調制器構建了音樂播放器系統。
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作者信息：
吳永麗1，許增輝2，錢波2，汪富樂2，于澤琦3
（1.國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450046；
2.鄭州輕工業大學 計算機科學與技術學院，河南 鄭州 450001；
3.鄭州輕工業大學 電子信息學院，河南 鄭州 450001）
