一種大功率數(shù)字音頻系統(tǒng)設計

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

隨著FPGA技術的迅速發(fā)展，大規(guī)模集成可編程邏輯陣列越來越普遍。在現(xiàn)代電子技術領域表現(xiàn)出明顯技術領先優(yōu)勢。本文為一個基于FPGA技術的嵌入式數(shù)字音頻編解碼系統(tǒng)的設計方案，極大地提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性，同時降低了產品開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)設計效率。另外功率放大電路也得到了飛速的發(fā)展和應用，特別是半導體技術的進步，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90%以上，這種高效的數(shù)字功放技術的應用顯著提高了音頻系統(tǒng)設備的音響性能。

1 系統(tǒng)方案

1. 1 音頻編解碼芯片WM8731

WM8731是集成耳機驅動器的低功耗立體聲音頻編解碼芯片，專業(yè)設計應用于便攜式MP3音頻、語音記錄器、CD_RW設備和DAT記錄儀。支持立體聲線路和單聲道麥克風音頻輸入，伴有靜音功能，線路輸入音量可編程調節(jié)，麥克風輸入的偏置電壓很適合電子式麥克風應用，內置高精度24位Sigma delta ADC，支持數(shù)字音頻信號輸入長度為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動器可調節(jié)音量后驅動耳機設備，線路輸出具有靜音功能，有上下電保護電路?？刂平涌谑?或3線可選的并行接口，可實現(xiàn)各種功能的控制和管理，如音量調節(jié)，大范圍的電源管理等。其結構框圖如圖1：

WM8731基于FPGA的接口電路的設計，包括芯片配置模塊與音頻數(shù)據(jù)接口模塊，基于FPGA的驅動模塊，將WM8731的控制接口與數(shù)字音頻接口轉換為FPGA控制器通用的總線接口，控制器只通過寄存器就可以對WM8731芯片進行控制管理及應用，設計模塊以Verilog HDL語言在QuartusⅡ里實現(xiàn)并進行了驗證。

1. 2 WM8731芯片的FPGA驅動設計方案

本文所設計的驅動器內部結構框圖如圖2所示。控制部分包含驅動器與控制器之間的接口，總線信號有數(shù)據(jù)總線信號、地址總線信號和控制信號，并產生控制字轉換單元和數(shù)字音頻接口單元的控制信號;內部寄存器緩存控制字和狀態(tài)字;控制字轉化單元負責將控制字信號串行發(fā)送至WM8731的內部控制接口并校驗控制信號;數(shù)據(jù)昔頻接口單元完成WM8731與外部存儲器的接口轉換對接，實現(xiàn)對數(shù)字音頻信號的雙工傳輸功能。外部存儲器和驅動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，對音頻信號源采用脈寬調制(PWM)方式進行采樣變換，變換所產生的數(shù)字信號的脈寬與對應采樣點原始信號的幅值按一定關系變化，再以此數(shù)字信號來驅動功率開關晶體管MOSFET輸出大功率的波形相對應的數(shù)字信號，然后經低通濾波器LPF還原出功率放大后的音頻模擬信號。本文設計的功放模塊效率高達96%，失真(THD+N)0.005%，具有多重專業(yè)保護：過流保護(OCP)、過壓保護(OVP)、欠壓保護(UVP)、直流輸出保護(DCP)、過溫保護(OTP)。模塊輸入電源范圍大和負載阻抗匹配方便，最大功率可選，便于系統(tǒng)擴展應用及兼容升級。本系統(tǒng)功放模塊結構框圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)方案設計

應用FPGA設計I2C控制器控制WM8731音頻芯片，Vrilog-HDL語言描述邏輯及時序，構建音頻編解碼數(shù)字音頻信號處理及控制單元，完美地應用于本數(shù)字音頻系統(tǒng)，數(shù)字音頻信號單元輸出的音頻信號再輸入到大功率數(shù)字功放模塊，實現(xiàn)音頻信號的高保真功率放大，最后功率放大器推動揚聲器組發(fā)出聲音。系統(tǒng)各部分均為模塊化設計，結構清晰，安裝調試簡便，也容易擴展，因此，可以應用在各種需要大功率音頻輸出設備的場合，系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

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

3 結論

本文使用FPGA可編程邏輯技術對音頻編解碼芯片WM8731進行數(shù)據(jù)及控制接口的設計，實現(xiàn)了控制接口與數(shù)字音頻接口的統(tǒng)一控制，簡化了WM8731的使用步驟，具有擴展性好、使用方便、易于升級等優(yōu)點，另外系統(tǒng)采用大功率數(shù)字功放，具有效率高、音質好、體積小等優(yōu)點。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)在外形結構小巧，音響效果顯著提高，從而能提高產品在市場中的競爭力。