音频模数转换器中梳状滤波器的设计课件.ppt
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- 音频 转换器 中梳状 滤波器 设计 课件
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1、 1.首先学习模数转换器的基本原理和相关知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。并对有关论文研究中的关键技术和步骤。并对有关论文进行实时翻译。进行实时翻译。2.根据设计要求,设计出满足性能指标的梳根据设计要求,设计出满足性能指标的梳状滤波器;并根据有关原则,尽量减少功状滤波器;并根据有关原则,尽量减少功耗和面积。具体使用耗和面积。具体使用MATLAB软件仿真。软件仿真。3.用用Verilog HDL语言编译出梳状滤波器的语言编译出梳状滤波器的具体硬件描述,并用具体硬件描述,并用VCS工具仿真。随后工具
2、仿真。随后将将VCS工具仿真结果与工具仿真结果与MATLAB仿真结果仿真结果对比,观察结果是否符合要求,并得到结对比,观察结果是否符合要求,并得到结论。论。Sigma-Delta模数转换器的原理模数转换器的原理 Sigma-Delta模数转换器又称为过采样模数转模数转换器又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。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模数转换器包括模拟Sigma-Delta调制器和调制器和数字抽取滤波器。数字抽取滤波器。Sigma-Delta调制器主
3、要完成信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号抽样及增量编码,它给数字抽取滤波器提供增量编码即量编码即Sigma-Delta码;数字抽取滤波器完成对码;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。分辨率的线性脉冲编码调制的数字信号。过采样技术过采样技术 从频域上分析从频域上分析ADC的采样,模拟输入的采样,模拟输入信号的频谱特性如图信号的频谱特性如图1所示,所示,fB是模拟输入是模拟输入信号的最高频率,当模拟输入信号被频率信号的最高频率,当模拟输入信号被频率为为fS的采样信号
4、采样时,得到了如图所示的的采样信号采样时,得到了如图所示的频谱,从图中可以看出,如果采样信号频频谱,从图中可以看出,如果采样信号频率率fS小于小于2fB,如图,如图2,频谱开始混叠,此时,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样定理来解释就是:为了从采样信号中恢复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出原始信号,采样频率必须至少是信号带宽的两倍。宽的两倍。图图1 fsfB图图2 fsfB图图3Sigma-Delta调制技术调制技术 Sigma-Delta调制实质是对量化噪声进调制实质是对量化噪声进行整形。所谓
5、噪声整形是指调整量化噪声行整形。所谓噪声整形是指调整量化噪声的频谱密度分布,使其在总量化噪声不变的频谱密度分布,使其在总量化噪声不变的情况下尽可能减少其位于有用信号带宽的情况下尽可能减少其位于有用信号带宽中的部分。中的部分。噪声整形技术图图4 经过经过Sigma-Delta调制器的量化噪声谱调制器的量化噪声谱设计指标的确立设计指标的确立 本设计中Sigma-Delta调制器的过采样是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
6、标的确立设计指标的确立 而我们第一级采用了梳状滤波器,这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。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样功能,是最为简单有效地方法。梳状滤波器的特点梳状滤
7、波器的特点1.在实现中不需要乘法器电路。在实现中不需要乘法器电路。2.属于整系数滤波器,不需要电路属于整系数滤波器,不需要电路来存储系数。来存储系数。3.通过在前面积分模块和差分模块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之间的降频,与具有相同滤波性能的其它的其它FIR滤波器比较,减少了大滤波器比较,减少了大量的存储单元。量的存储单元。图图5 梳状滤波器的滤波作用梳状滤波器的滤波作用设计指标的确立设计指标的确立 由于梳状滤波器在低频响应部分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,同时又尽不影响音频带内
8、的信噪比,同时又尽可能利用梳状滤波的特点进行降采样,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,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即梳状滤波器的第一个零点位置在4倍倍的的Nyquist频率为频率为192KHz,梳状滤波,梳状滤波器的抽取率为器的抽取率为M1=32。我们本课设计的我们本课设计的Sigma-DeltaA/D调制器输调制器输出在出在168192KHz频带内的噪声低于频带内的噪声低于-70dB,而,而通过通过FFT计算,调制器输出信号的计算,调制器输出信号的noisefloor大大约在约在-140dB左右,所以对于梳状滤波器要求在左
9、右,所以对于梳状滤波器要求在168KHz处的噪声抑制能力约为处的噪声抑制能力约为-70dB。图图6 多级抽取实现数字滤波器框图多级抽取实现数字滤波器框图 阶数的确定阶数的确定 最简单的梳状滤波器由一个积分器、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,通过用个单级滤波器级联,通过L级联后,级联后,阻带衰减可以增加到阻带衰减可以增加到
10、L*13.5dB。阶数的确定阶数的确定 若若NL的情况下,则降采样混叠噪声将的情况下,则降采样混叠噪声将非常大非常大。在在N=L 情况下,降采样前后带内噪声情况下,降采样前后带内噪声谱密度相差,由于谱密度相差,由于M=32,所以前后相差,所以前后相差7.5dB左右。左右。在在N=L+1的情况下,的情况下,N+f0L+1则硬件消耗呈线性增加,但则硬件消耗呈线性增加,但效果微乎其微。效果微乎其微。因此本文选择采用因此本文选择采用4阶梳状滤波器。阶梳状滤波器。阶数的确定阶数的确定 基于上面的分析,编写基于上面的分析,编写Matlab程程序对上面的结论进行验证,图序对上面的结论进行验证,图7给出了给出
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