采用FPGA實(shí)現(xiàn)音頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器

摘 要 簡(jiǎn)要分析sigma―deIta(∑一△)架構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)原理，提出一種基于FPGA內(nèi)部LVDS(Low Voltage Differential Signaling)接收器的音頻ADC架構(gòu)，并給出在FPGA上的實(shí)現(xiàn)結(jié)果。在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)音頻ADC，具有擴(kuò)展方便靈活，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，集成度高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞 sigma―delta FPGA LVDS 音頻ADC

引 言
數(shù)字系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)世界的各個(gè)領(lǐng)域中，絕大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)無(wú)法直接處理現(xiàn)實(shí)世界中的信號(hào)，必須采用ADC器件把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后才能處理。FPGA和DSP處理器是數(shù)字信號(hào)處理的兩大主流技術(shù)。隨著技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，一些FPGA器件集成了一些模擬電路以及混合信號(hào)處理模塊，比如集成溫度監(jiān)控二極管。Actel公司的混合FPGA系列已經(jīng)集成ADC、DAC、PGA(Programmable Gain Amplifier)、電壓參考基準(zhǔn)源和RCC(Resistance Capacitance)振蕩器。Xilinx公司的V5系列FPGA集成電壓和溫度監(jiān)控ADC，用戶可以直接通過JTAG下載調(diào)試接口讀取電壓和溫度值。但這些單元物理位置固定，靈活性受限，僅限于特定的應(yīng)用。而采用FPGA的LVDS接收器來(lái)實(shí)現(xiàn)ADC，邏輯電路完全在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，可重新配置，擴(kuò)展性好，需要的外圍器件少，使FPGA能直接進(jìn)行混合信號(hào)處理。

1 ∑一△ADC原理
∑一△ADC的核心是∑一△調(diào)制器和數(shù)字濾波器?！埔弧髡{(diào)制原理在半個(gè)多世紀(jì)前已經(jīng)提出，但在20世紀(jì)90年代才廣泛應(yīng)用到ADC設(shè)計(jì)中?！埔弧鰽DC的模型如圖1所示。

從圖中可以看到，乏一△架構(gòu)的ADC主要由左邊方框內(nèi)模擬∑一△調(diào)制器和右邊的數(shù)字濾波器組成?！?△調(diào)制器包含1個(gè)積分器、1個(gè)ADC和1個(gè)構(gòu)成反饋環(huán)路的DAC。其中積分器用離散時(shí)間表示，以方便采用Z變換分析。e(n)是AD量化器的量化噪聲。假設(shè)量化噪聲是加性噪聲，反饋環(huán)路中DAC是理想的，其傳輸函數(shù)是固定增益。采用線性系統(tǒng)分析方法，先令e(n)=O，考察積分器的差分方程：

由公式(1)和公式(2)推導(dǎo)出∑一△調(diào)制器對(duì)信號(hào)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

由公式(7)可以看出，在Z變換域，調(diào)制器對(duì)信號(hào)只是延遲，而對(duì)噪聲進(jìn)行差分處理。因?yàn)椴罘制骶哂懈咄V波器特性，因此噪聲被高通濾波，調(diào)制器對(duì)應(yīng)的時(shí)域輸出為：

剩余的噪聲則由后續(xù)的數(shù)字濾波器濾除。

2 LVDS收發(fā)器標(biāo)準(zhǔn)及其原理
LVDS是一種低壓低功耗的高速串行差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，在高速數(shù)據(jù)互聯(lián)和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，主流的FPGA器件都集成了高速的LVDS收發(fā)器。LVDS收發(fā)傳輸框圖如圖2所示。

在圖2中，LVDS發(fā)送端的4個(gè)開關(guān)管交叉控制3．5mA電流源在接收端的流向。電流在100Ω電阻上建立約350 mV的電壓差，接收器通過比較電壓的極性來(lái)判決是邏輯“1”還是邏輯“0”。LVDS驅(qū)動(dòng)器是電流型，對(duì)電源波動(dòng)不敏感，功耗很低，1路LVDS傳輸功耗為35 mA×350 mV=1．2 mW。由于采用差分傳輸方式，LVDS收發(fā)器可以很好地消除共模干擾，提高系統(tǒng)電磁兼容性能。利用FPGA集成的LVDS接收器，配合少量外圍器件，即可在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ADC。

3 用FPGA集成的LVDS接收器實(shí)現(xiàn)ADC
參考第2部分的∑一△架構(gòu)的ADC原理，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ADC的框圖如圖3所示。

在圖3中，虛線框內(nèi)表示在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。外部?jī)H需要1個(gè)1 kΩ的電阻和1個(gè)1 nF的電容作為模擬積分器，輸入信號(hào)和積分器輸出值在LVDS接收器進(jìn)行比較，比較結(jié)果被量化成數(shù)據(jù)比特流，經(jīng)過寄存器后輸出到CIC(Cascaded Integrated Comb)濾波器及其后續(xù)的數(shù)字濾波模塊，同時(shí)通過1個(gè)FPGA引腳作為1位的DAC，輸出到外部的積分器。在數(shù)字濾波模塊里面，CIC濾波器累加量化的比特流并恢復(fù)成18位數(shù)的量化值，同時(shí)通過大倍數(shù)的抽取，把數(shù)據(jù)率降低；CICCOMP是15階FIR濾波器，用于補(bǔ)償CIC濾波器幅頻響應(yīng)。抽取器是31階FIR低通濾波器，降低數(shù)據(jù)率并進(jìn)一步濾除帶外的噪聲。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行于49．152 MHz時(shí)鐘下，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過CIC進(jìn)行512倍抽取后，數(shù)據(jù)率降為96 kHz，最后經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行2倍抽取，數(shù)據(jù)率降為48 kHz。用FPGA實(shí)現(xiàn)ADC，包括LVDS接收器部分，全部采用VerilogHDL語(yǔ)言編寫，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可移植性較好。

4 FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的ADC實(shí)驗(yàn)分析
整個(gè)ADC設(shè)計(jì)工程在Xilinx公司的FPGA集成開發(fā)環(huán)境ISE下編譯，下載到XC2VP70系列FPGA上進(jìn)行測(cè)試，用Tektronix公司的信號(hào)源AFG3101產(chǎn)生音頻信號(hào)，經(jīng)ADC采用后通過板載的8位DAC輸出，用Agilent公司的示波器54622D進(jìn)行分析，頻率為3 kHz的正弦信號(hào)輸入/輸出波形和頻譜如圖4所示。

圖4上半部分波形是輸入的信號(hào)和頻譜，下半部分波形是經(jīng)過ADC采樣后通過DAC輸出的波形和頻譜。從圖中可以看到，盡管受限于板載DAC的位數(shù)，DAC后面也沒有抗混疊濾波器，僅將ADC的18位量化值高8位輸出，但波形和頻譜完全沒有失真。輸出波形上疊加的高頻噪聲是DAC轉(zhuǎn)換引入的，可以通過濾波器濾除。信號(hào)源產(chǎn)生20 Hz～20 kHz的音頻信號(hào)，ADC輸出的波形和頻譜均沒有失真，F(xiàn)PGA在3．3 V的I／O電壓下，ADC最大輸入信號(hào)的峰值電壓約O．8 V，輸出信號(hào)SNR約為50 dB。

結(jié)語(yǔ)
FPGA實(shí)現(xiàn)ADC的模型，僅需要極少數(shù)外圍元器件，核心模塊均采用FPGA資源實(shí)現(xiàn)，明顯降低板上面積，同時(shí)邏輯可重配置，具備強(qiáng)大的擴(kuò)展性。通過適當(dāng)改進(jìn)和優(yōu)化，該方法可以應(yīng)用到語(yǔ)音通信，溫度、電壓監(jiān)控，水壓檢測(cè)，壓力傳感等諸多領(lǐng)域。