基于FPGA的大功率数字音频系统设计

摘要：音频编解码芯片WM8731因其高性能、低功耗等优点在很多音频产品中得到了广泛应用。本文提出了WM8731与FPGA的音频编解码系统，并嵌入大功率D类功放技术作为音频系统的功率放大应用，使得本系统效率高，体积小，音质高，性能显著。

随着FPGA技术的迅速发展，大规模集成可编程逻辑阵列越来越普遍。在现代电子技术领域表现出明显技术领先优势。本文为一个基于FPGA技术的嵌入式数字音频编解码系统的设计方案，极大地提高了系统的集成度和稳定性，同时降低了产品开发成本，提高了系统设计效率。另外功率放大电路也得到了飞速的发展和应用，特别是半导体技术的进步，使功率放大电路向模块化、小型化、集成化的方向不断发展。D类功放属于非线性功率放大器，功率损耗小，其效率可达90%以上，这种高效的数字功放技术的应用显著提高了音频系统设备的音响性能。

1 系统方案

1. 1 音频编解码芯片WM8731

WM8731是集成耳机驱动器的低功耗立体声音频编解码芯片，专业设计应用于便携式MP3音频、语音记录器、CD_RW设备和DAT记录仪。支持立体声线路和单声道麦克风音频输入，伴有静音功能，线路输入音量可编程调节，麦克风输入的偏置电压很适合电子式麦克风应用，内置高精度24位Sigma delta ADC，支持数字音频信号输入长度为16位～32位，采样频率从8 kHz～96 kHz。立体声输出部分的缓冲器驱动器可调节音量后驱动耳机设备，线路输出具有静音功能，有上下电保护电路。控制接口是2或3线可选的并行接口，可实现各种功能的控制和管理，如音量调节，大范围的电源管理等。其结构框图如图1：

WM8731基于FPGA的接口电路的设计，包括芯片配置模块与音频数据接口模块，基于FPGA的驱动模块，将WM8731的控制接口与数字音频接口转换为FPGA控制器通用的总线接口，控制器只通过寄存器就可以对WM8731芯片进行控制管理及应用，设计模块以Verilog HDL语言在QuartusⅡ里实现并进行了验证。

1. 2 WM8731芯片的FPGA驱动设计方案

本文所设计的驱动器内部结构框图如图2所示。控制部分包含驱动器与控制器之间的接口，总线信号有数据总线信号、地址总线信号和控制信号，并产生控制字转换单元和数字音频接口单元的控制信号;内部寄存器缓存控制字和状态字;控制字转化单元负责将控制字信号串行发送至WM8731的内部控制接口并校验控制信号;数据昔频接口单元完成WM8731与外部存储器的接口转换对接，实现对数字音频信号的双工传输功能。外部存储器和驱动器都连接了控制器的数据总线和地址总线，控制模块可以实现WM8731芯片的控制及数据处理功能。

1. 3 D类功放模块

D类功放的工作原理为：基于Nyquist采样定理，对音频信号源采用脉宽调制(PWM)方式进行采样变换，变换所产生的数字信号的脉宽与对应采样点原始信号的幅值按一定关系变化，再以此数字信号来驱动功率开关晶体管MOSFET输出大功率的波形相对应的数字信号，然后经低通滤波器LPF还原出功率放大后的音频模拟信号。本文设计的功放模块效率高达96%，失真(THD+N)0.005%，具有多重专业保护：过流保护(OCP)、过压保护(OVP)、欠压保护(UVP)、直流输出保护(DCP)、过温保护(OTP)。模块输入电源范围大和负载阻抗匹配方便，最大功率可选，便于系统扩展应用及兼容升级。本系统功放模块结构框图如图3所示。

2 系统方案设计

应用FPGA设计I2C控制器控制WM8731音频芯片，Vrilog-HDL语言描述逻辑及时序，构建音频编解码数字音频信号处理及控制单元，完美地应用于本数字音频系统，数字音频信号单元输出的音频信号再输入到大功率数字功放模块，实现音频信号的高保真功率放大，最后功率放大器推动扬声器组发出声音。系统各部分均为模块化设计，结构清晰，安装调试简便，也容易扩展，因此，可以应用在各种需要大功率音频输出设备的场合，系统结构框图如图4所示。

如图所示，系统中人机界面操作便捷，FPGA能实时高速采集和处理信号，音频单元输出高保真语音信号，大功率功放具有效率高，体积小，线性谐波失真率低等特点。系统整体便携间质效果突出，很适用于车载音响、城市车载防空警报、消防警报、移动广播等系统设备中。

3 结论

本文使用FPGA可编程逻辑技术对音频编解码芯片WM8731进行数据及控制接口的设计，实现了控制接口与数字音频接口的统一控制，简化了WM8731的使用步骤，具有扩展性好、使用方便、易于升级等优点，另外系统采用大功率数字功放，具有效率高、音质好、体积小等优点。所以嵌入D类功放模块使系统性能得到很大提高，体现在外形结构小巧，音响效果显著