基于FPGA的大功率數(shù)字音頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：音頻編解碼芯片WM8731因其高性能、低功耗等優(yōu)點(diǎn)在很多音頻產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。本文提出了WM8731與FPGA的音頻編解碼系統(tǒng)，并嵌入大功率D類功放技術(shù)作為音頻系統(tǒng)的功率放大應(yīng)用，使得本系統(tǒng)效率高，體積小，音質(zhì)高，性能顯著。

　　隨著FPGA技術(shù)的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成可編程邏輯陣列越來(lái)越普遍。在現(xiàn)代電子技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出明顯技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。本文為一個(gè)基于FPGA技術(shù)的嵌入式數(shù)字音頻編解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，極大地提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性，同時(shí)降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。另外功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應(yīng)用，特別是半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，使功率放大電路向模塊化、小型化、集成化的方向不斷發(fā)展。D類功放屬于非線性功率放大器，功率損耗小，其效率可達(dá)90%以上，這種高效的數(shù)字功放技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了音頻系統(tǒng)設(shè)備的音響性能。

　　1 系統(tǒng)方案

　　1. 1 音頻編解碼芯片WM8731

　　WM8731是集成耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的低功耗立體聲音頻編解碼芯片，專業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用于便攜式MP3音頻、語(yǔ)音記錄器、CD_RW設(shè)備和DAT記錄儀。支持立體聲線路和單聲道麥克風(fēng)音頻輸入，伴有靜音功能，線路輸入音量可編程調(diào)節(jié)，麥克風(fēng)輸入的偏置電壓很適合電子式麥克風(fēng)應(yīng)用，內(nèi)置高精度24位Sigma delta ADC，支持?jǐn)?shù)字音頻信號(hào)輸入長(zhǎng)度為16位～32位，采樣頻率從8 kHz～96 kHz。立體聲輸出部分的緩沖器驅(qū)動(dòng)器可調(diào)節(jié)音量后驅(qū)動(dòng)耳機(jī)設(shè)備，線路輸出具有靜音功能，有上下電保護(hù)電路?？刂平涌谑?或3線可選的并行接口，可實(shí)現(xiàn)各種功能的控制和管理，如音量調(diào)節(jié)，大范圍的電源管理等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

　　WM8731基于FPGA的接口電路的設(shè)計(jì)，包括芯片配置模塊與音頻數(shù)據(jù)接口模塊，基于FPGA的驅(qū)動(dòng)模塊，將WM8731的控制接口與數(shù)字音頻接口轉(zhuǎn)換為FPGA控制器通用的總線接口，控制器只通過(guò)寄存器就可以對(duì)WM8731芯片進(jìn)行控制管理及應(yīng)用，設(shè)計(jì)模塊以Verilog HDL語(yǔ)言在QuartusⅡ里實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了驗(yàn)證。

　　1. 2 WM8731芯片的FPGA驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

　　本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示?？刂撇糠职?qū)動(dòng)器與控制器之間的接口，總線信號(hào)有數(shù)據(jù)總線信號(hào)、地址總線信號(hào)和控制信號(hào)，并產(chǎn)生控制字轉(zhuǎn)換單元和數(shù)字音頻接口單元的控制信號(hào);內(nèi)部寄存器緩存控制字和狀態(tài)字;控制字轉(zhuǎn)化單元負(fù)責(zé)將控制字信號(hào)串行發(fā)送至WM8731的內(nèi)部控制接口并校驗(yàn)控制信號(hào);數(shù)據(jù)昔頻接口單元完成WM8731與外部存儲(chǔ)器的接口轉(zhuǎn)換對(duì)接，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)的雙工傳輸功能。外部存儲(chǔ)器和驅(qū)動(dòng)器都連接了控制器的數(shù)據(jù)總線和地址總線，控制模塊可以實(shí)現(xiàn)WM8731芯片的控制及數(shù)據(jù)處理功能。

　　1. 3 D類功放模塊

　　D類功放的工作原理為：基于Nyquist采樣定理，對(duì)音頻信號(hào)源采用脈寬調(diào)制(PWM)方式進(jìn)行采樣變換，變換所產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)的脈寬與對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)原始信號(hào)的幅值按一定關(guān)系變化，再以此數(shù)字信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)晶體管MOSFET輸出大功率的波形相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)低通濾波器LPF還原出功率放大后的音頻模擬信號(hào)。本文設(shè)計(jì)的功放模塊效率高達(dá)96%，失真(THD+N)0.005%，具有多重專業(yè)保護(hù)：過(guò)流保護(hù)(OCP)、過(guò)壓保護(hù)(OVP)、欠壓保護(hù)(UVP)、直流輸出保護(hù)(DCP)、過(guò)溫保護(hù)(OTP)。模塊輸入電源范圍大和負(fù)載阻抗匹配方便，最大功率可選，便于系統(tǒng)擴(kuò)展應(yīng)用及兼容升級(jí)。本系統(tǒng)功放模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)I2C控制器控制WM8731音頻芯片，Vrilog-HDL語(yǔ)言描述邏輯及時(shí)序，構(gòu)建音頻編解碼數(shù)字音頻信號(hào)處理及控制單元，完美地應(yīng)用于本數(shù)字音頻系統(tǒng)，數(shù)字音頻信號(hào)單元輸出的音頻信號(hào)再輸入到大功率數(shù)字功放模塊，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的高保真功率放大，最后功率放大器推動(dòng)揚(yáng)聲器組發(fā)出聲音。系統(tǒng)各部分均為模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)清晰，安裝調(diào)試簡(jiǎn)便，也容易擴(kuò)展，因此，可以應(yīng)用在各種需要大功率音頻輸出設(shè)備的場(chǎng)合，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

　　如圖所示，系統(tǒng)中人機(jī)界面操作便捷，F(xiàn)PGA能實(shí)時(shí)高速采集和處理信號(hào)，音頻單元輸出高保真語(yǔ)音信號(hào)，大功率功放具有效率高，體積小，線性諧波失真率低等特點(diǎn)。系統(tǒng)整體便攜間質(zhì)效果突出，很適用于車載音響、城市車載防空警報(bào)、消防警報(bào)、移動(dòng)廣播等系統(tǒng)設(shè)備中。

　　3 結(jié)論

　　本文使用FPGA可編程邏輯技術(shù)對(duì)音頻編解碼芯片WM8731進(jìn)行數(shù)據(jù)及控制接口的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了控制接口與數(shù)字音頻接口的統(tǒng)一控制，簡(jiǎn)化了WM8731的使用步驟，具有擴(kuò)展性好、使用方便、易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，另外系統(tǒng)采用大功率數(shù)字功放，具有效率高、音質(zhì)好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。所以嵌入D類功放模塊使系統(tǒng)性能得到很大提高，體現(xiàn)在外形結(jié)構(gòu)小巧，音響效果顯著提高，從而能提高產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。