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Audio Global Delivery

　

源于艺术，高于技术。

漫谈DAC(三)

第三部分数字滤波技术

一、数字滤波原理

数字音频信号经过DAC芯片转换后输出模拟信号。

在取样频率和它的整数倍频率两侧产生等于基带频宽的边带信号，为了抑制这些镜像频率，而对音频频带平坦传输，就要求模拟低通滤波器有陡峭的滤波特性，滤波阶数要达到9~11阶，这种滤波器相位特性很差，影响定位和音扬还原。另外，高阶滤波器元件多，温度特性和稳定性不佳，元器件性能对音质影响较大，在实际中，这种高阶滤波器无论在特性上还是音质上都不尽如人意。

为了解决这个问题，人们在DAC之前引入了数字滤波器，数字滤波器是执行数字滤波算法的硬件电路，它对数字音频数据进行数值演算，输出超取样后的运算结果。CD数字滤波器一般由FIR（有限冲激响应）型滤波构成，FIR型滤波器有线性相位特性，群延迟时间对所有频率来说为定值，价数可以从几十阶至几百阶，通过选择滤波器的阶数和滤波系数，可以很容易地实现理想的滤波特性。

对于两倍超取样的数字滤波器。ai为滤波系数，T/2噗延迟单元，滤波器输入周期的二分之一时间为节拍，在数据输出端产生多一倍的数据量，实现2倍超取样。滤波器中包含有乘法器和加法器单元，乘法器和加法器的位数决定了滤波运算的精度，延迟单元的个数决定了滤波器的阶数。CD用的超取样滤波器都具有低通特性。数字滤波器可以通过方式，实现更高倍数的超取样功能，最终的滤波特性，由各个串联的滤波器共同决定。

数字滤波器有三个方面的优点：第一、音频带上限20kHz附近截止特性取决于数字滤波器，而数字滤波器性能由滤波算法决定，不易受温度变化、无器件老化等因素的影响，性能稳定。第二、可以选用低价模拟滤波器，使音频范围内没有相位失真。第三、后续模拟滤波器结构简化，可降低制造成本，对音质影响也小。所以，数字滤波技术是实现高性能音频解码器的关键技术，配合高精度DAC，就能构成完整的高性能CD重放系统。

使用数字滤波器后DAC输出信号的频谱，可见音频频带和镜像频带之间的高频分量都被抑制，只需使用低阶的模拟滤波器就能取得良好的滤波效果。

二、常见数字滤波器芯片

1、DF1700

（1）功能：

DF1700是BB公司生产的唯一高性能8倍超取样数字滤波器，它接收16比特输入数据，可选择输出16、18、20位输出数据。经过数字滤波，可使输出数据频率为输入数据频率的8倍，再送到DAC作转换，能简化模拟低通滤波器的设计，减小模拟滤波器相位非线性失真，改善音质。

DF1700有两种封装：28脚DIP和40脚SOIC，它是设计来和PCM1700、PCM63配合工作的。

（2）特点：

1）双声道数字滤波器

2）接收16位输入数据

3）可选择输出16、18、20位数据

4）输出数据格式符合PCM1700、PCM63要求

5）通带纹波小于0.00005dB

6）通带外衰减大于110dB

7）单5V电池，功耗小于250mW

8）28脚DIP封装和40脚SOIC封装

（3）引脚排列见表5。

2、PMD100

（1）功能

PMD100 HDCD解码芯片是采用0.6亚微米技术制成的CMOS集成电路，用来作HDCD录音的精密解码工作。在处理非HDCD唱片时，它表现为一个经典的数字滤波器。接口电路经过仔细设计可以和常见的DIR、DAC连接。使用了PMD100以后，不再需要普通的数字滤波器，PMD100

的各方面都经过仔细设计达到最佳性能，并能方便地应用于各种用途。

（2）特点

1）自动HDCD解码

当PMD100在输入数据中检测到HDCD信号后，它自动转换到HDCD解码模式，并以27脚输出一电流信号驱动发光二极管。当非HDCD数据输入时，PMD100自动工作于数字滤波器方式。

2）极好的滤波性能

在工作于数字滤波器方式时，PMD100的滤波特性经仔细设计能够保证声音精确再现。通带内纹波小于0.0001dB，通带外衰减大于120 dB。

3）两种操作方式

硬件逻辑

在这种模式，PMD100不需要额外的微处理器。

可编程模式

可编程模式下，通过外部的微处理器，可以设定许多高级功能。

4）DAC优化操作模式

为配合各种不同的DAC类型，PMD100提供8种抖动方式和“宁静转换”定时功能。

5）稳定的时钟输出

PMD100提供稳定的时钟输出，即使没有输入数据和主时钟时也如此。

6）运算精度大于24比特

7）可接受24比特输入数据

8）32kHz至55kHz输入取样频率

9）数字音量衰减范围96dB，步长0.188dB

10）支持软静音和硬静音

11）16、18、20和24比特输出数据精度

12）8倍、4倍、2倍超取样可选

13）数字域去加重

14）256fs或384fs系统时钟

（3）引脚描述见表6

（4）常见数字滤波器芯片性能比较见表7

　

表5 DF1700的引脚排列

引脚号		名称	输入输出	描述
SOIC	DIP	名称	输入输出	描述
1	-	NC	-
2	-	NC	-
3	-	NC	-
4	9	CK0	O	时钟输出
5	-	NC	-
6	-	NC	-	高:自由运行方式
7	10	/SYN	I	低:强制同步方式
8	11	NC	-
9	12	NC	-
10	13	NC	-
11	14	/RST	I	高:正常运行,低:系统复位
12	15	/COB	I	输出数据格式选择
				高:输出2的补码
				低:输出原码
13	16	/OW20	I	低:输出数据20位
14	17	OW18	I	低:输出数据为18位
15	-	NC	-
16	18	NC	-
17	19	NC	-
18	20	DG	O	抗尖峰控制时钟
19	-	NC	-
20	21	Vss2	-	地2
21	22	Vdd	-	+5V
22	-	NC	-
23	23	DOR	O	右声道数据输出
24	-	NC	-
25	24	DOL	0	左声道数据输出
26	-	NC	-
27	25	WCKO	O	字时钟输出
28	26	BCKO	O	位时钟输出
29	27	FSC0	O	fs内部时钟
30	28	LRC1	I	左右声道时钟输入
31	-	NC	-
32	1	DIN	I	串行数据输入
33	2	BCK1	I	位时钟输入
34	3	CKSL	I	时钟选择
35	-	NC	-
36	5	NC	-
37	4	CKDV	I	时钟选择
38	6	XT1	I	晶振输入端,外部时钟输入端
39	7	XT0	O	晶振输出端,外接时钟时是空
40	8	Vss1	-	地1

表6 PMD100的引脚排列

1	DIN	I	串行数据输入
2	BCKI	I	位时钟输入
3	XTIM	I	选择系统时钟频率,高:384fs,低:256fs
4	DITH	I	抖动选择,高:允许抖动,低:禁止抖动;
5	GAIN	O	模拟输出级增益控制
6	XTIM	I	系统时钟输入
7	VDD1		+5V电源
8	VSS1		地
9	PROG	I	编程模式
10	OSIZ0	I	输出比特数选择
11	OSIZ1	I	输出比特数选择
12	/COB	I	低:原码高:2的补码
13	JUST	I	低:输入数据左对齐高:右对齐
14	BCPL	I	低:BCKI上升沿锁存数据
			高:BCKI下降沿锁存数据
15	SMUTE	I	软静音
16	DEEMPH	I	去加重
17	HMUTE	I	硬静音
18	FSEL	I	去加重频率,低:44.1kHz,高:48kHz
19	SCAL	I	增益加控
20	DG	O	抗尖峰信号
21	VSS2		地
22	VDD2		+5V
23	D0R	O	右声道输出
24	D0L	O	左声道输出
25	WCK0	O	字时钟输出
26	BCK0	O	位时钟输入
27	HDCD	O	HDCD唱片指示
28	CRCI	I	左右声道指示时钟

表7

	PMD100	SM5842	SM5803	DF1700
HDCD解码	有	无	无	无
操作方法	可编程/ 硬件逻辑	硬件逻辑	可编程	硬件逻辑
数字音量衰减	0_~96dB	无	0_~96dB	无
	0.188dB步长		0.188dB步长
通带外衰减	〉120dB	〉117dB	〉110dB	〉110dB
抖动方式	8种	1种	噪声整形	无
超取样率	8倍,4倍,2倍	8倍	8倍,4倍	8倍
输入字长(位)	最大到24	16,18,20,24	16,18	16
输出字长(位)	16,18,20,24	18,20,22,24	16,18,20	16,18,20
系统时钟(Fs)	256,384	256,384	192,256,384	192,256,384
输入取样频率kHz	35_~55	32,44.1,48	32,44.1,48	4_~50
静音	硬,软	软,左右独立	软,左右独立	无
数字去加重	有	有	有	无
无抖动时钟	有	有	有	无