基于FPGA的大功率數字音頻系統設計

　　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，并嵌入大功率D類功放技術作為音頻系統的功率放大應用，使得本系統效率高，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。在現代電子技術領域表現出明顯技術領先優(yōu)勢。本文為一個基于FPGA技術的嵌入式數字音頻編解碼系統的設計方案，極大地提高了系統的集成度和穩(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，這種高效的數字功放技術的應用顯著提高了音頻系統設備的音響性能。

　　1 系統方案

　　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據接口模塊，基于FPGA的驅動模塊，將WM8731的控制接口與數字音頻接口轉換為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?？刂撇糠职寗悠髋c控制器之間的接口，總線信號有數據總線信號、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;數據昔頻接口單元完成WM8731與外部存儲器的接口轉換對接，實現對數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據總線和地址總線，控制模塊可以實現WM8731芯片的控制及數據處理功能。

　　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，便于系統擴展應用及兼容升級。本系統功放模塊結構框圖如圖3所示。

　　2 系統方案設計

　　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，構建音頻編解碼數字音頻信號處理及控制單元，完美地應用于本數字音頻系統，數字音頻信號單元輸出的音頻信號再輸入到大功率數字功放模塊，實現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，系統結構框圖如圖4所示。

　　如圖所示，系統中人機界面操作便捷，FPGA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進行數據及控制接口的設計，實現了控制接口與數字音頻接口的統一控制，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，另外系統采用大功率數字功放，具有效率高、音質好、體積小等優(yōu)點。所以嵌入D類功放模塊使系統性能得到很大提高，體現在外形結構小巧，音響效果顯著提高，從而能提高產品在市場中的競爭力。