中文引用格式： 吴永丽，许增辉，钱波，等. 基于FPGA的音频Sigma-Delta调制器设计与实现[J]. 电子技术应用，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
在音视频领域中，随着数字存储技术的不断发展，数字音源得到了广泛普及。在音频播放系统中，数字音源需要经过音频数模转换器（Digital to Analog Converter, DAC）转换为模拟音频信号以驱动音频功放或直接驱动扬声器发声[1-2]。音频DAC按输入信号的采样频率不同，可分为两大类：Nyquist型DAC[3]和过采样型DAC[4]。一般情况下，Nyquist型音频DAC受限于工作频率和制造工艺，其转换精度往往不是很高。而过采样型音频DAC通常采用插值滤波器和Sigma-Delta调制器，利用过采样和噪声整形技术以提高音频DAC的输出性能，使DAC能够实现较高的转换精度[5]。通常，包含Sigma-Delta调制器的过采样型音频DAC又称为Sigma-Delta DAC[6]。Sigma-Delta DAC的一般整体框架图如图1所示，其主要由插值滤波器、Sigma-Delta调制器、开关电容DAC和重构滤波器组成，其中，插值滤波器和Sigma-Delta调制器可由数字电路来实现。
图1 Sigma-Delta DAC的一般整体框架图
由于音频Sigma-Delta DAC的转换精度一般高于Nyquist型音频DAC，因此，其更适用于高性能音视频设备中。对于音频Sigma-Delta DAC，基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）对其内部的Sigma-Delta调制器进行设计与实现可降低系统的设计复杂度，节约系统的实现成本，同时，FPGA的可编程特性可使Sigma-Delta DAC的设计变得更加灵活[7]。
本文着重对音频Sigma-Delta DAC内的Sigma-Delta调制器进行设计，通过对其进行系统级设计，并利用硬件描述语言（Hardware Description Language, HDL）描述，将其在FPGA上实现。本文首先简要阐述了Sigma-Delta调制器的工作原理。然后，基于MATLAB对用于音频Sigma-Delta DAC的Sigma-Delta调制器进行了系统级设计，并基于FPGA实现了一个音频Sigma-Delta调制器。最后，基于所实现的音频Sigma-Delta调制器构建了音乐播放器系统。
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作者信息：
吴永丽1，许增辉2，钱波2，汪富乐2，于泽琦3
（1.国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南 郑州 450046；
2.郑州轻工业大学 计算机科学与技术学院，河南 郑州 450001；
3.郑州轻工业大学 电子信息学院，河南 郑州 450001）
