автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка цифровых ядер звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Состояние и проблемы развития СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона.

Глава 2. Методы передискретизации в СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона.

2.1. Цифровая модуляция.

2.2. Понижение частоты дискретизации сигнала в СДАЦП.

2.3. Повышение частоты дискретизации сигнала в СДЦАП.

Глава 3. Цифровые ядра СДЦАП звукового диапазона.

3.1. Общие требования к СДЦАП.

3.2. Состав и принцип действия СДЦАП.

3.3. Цифровой фильтр.

3.4. Сигма-дельта модулятор.

3.5. Математические и функциональные модели цифровых ядер СФ блоков СДЦАП.

3.6. Библиотека заказных и специализированных узлов.

3.7. Топологическая реализация цифрового ядра СФ блоков СДЦАП.

3.8. Маршрут проектирования цифровых ядер СФ блоков СДЦАП звукового диапазона.

3.9. Техническая документация на разработанные СФ блоки.

ЗЛО. Аттестация цифрового ядра СФ блоков звуковых СДЦАП.

Глава 4. Цифровые ядра СДАЦП звукового диапазона.

4.1. Общие требования к СДАЦП.

4.2. Состав и принцип действия СДАЦП.*.

4.3. Цифровой фильтр.

4.4. Цифровая коррекция передаточной характеристики СДАЦП.

4.5. Математические и функциональные модели цифровых ядер СФ блоков СДАЦП.

4.6. Библиотека заказных и специализированных узлов СДАЦП.

4.7. Топологическая реализация цифрового ядра СФ блока СДАЦП.

4.8. Маршрут проектирования цифрового ядра СФ блоков СДАЦП звукового диапазона.

4.9. Техническая документация на разработанные СФ блоки.

4.10. Аттестация цифрового ядра СФ блоков звуковых СДАЦП.

Глава 5. Внешний интерфейс и тестирование СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона.

5.1. Внешний интерфейс.

5.2. Тестирование.

Актуальность

В соответствии основами политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы (ЭКБ) на период до 2010 года, одним из приоритетов является освоение разработки, производства (воспроизводства) и совершенствование ЭКБ на основе прогрессивной отечественной технологии сложно-функциональных блоков (СФ блоков, по зарубежной терминологии IP блоки).

В соответствии с этим в период до 2010 года обеспечивается переход к производству ЭКБ на основе СФ блоков и освоение промышленного производства СБИС «Система на кристалле». Основным механизмом реализации основ является консолидация усилий и ресурсов на приоритетных направлениях развития ЭКБ в рамках федеральной целевой программы «Национальная технологическая база».

В СБИС типа «Система на кристалле» в настоящее время используются цифровые и аналоговые периферийные блоки. В таких системах необходим интерфейс между цифровой и аналоговой частью. Для обеспечения интерфейса применяются ЦАП и АЦП.

Диссертация посвящена разработке цифровых ядер СФ блоков сигма-дельта аналого-цифровых (СДАЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (СДЦАП) звукового диапазона, удовлетворяющих современным мировым стандартам и ориентированным на применение в СБИС типа «Система на кристалле».

Одной из областей применения ЦАП и АЦП является обработка звуковых сигналов. Частота дискретизации таких сигналов невысокая (до 192 кГц). При этом разрядность сигнала составляет 16.24. Анализ мирового опыта в области обработки звуковых сигналов показал, что для их обработки используются ЦАП и АЦП на основе сигма-дельта модуляции, так как устройства, построенные на их основе, наиболее соответствуют требованиям разработчиков звуковой аппаратуры.

Диссертация выполнена в рамках опытно-конструкторской работы «Тон-СФ» («Разработка технологии проектирования семейства КМОП СФ блоков звуковых сигма-дельта ЦАП и АЦП, а также синтезаторов частот звукового диапазона с фазовой автоподстройкой частоты для интеграции в составе СБИС «система на кристалле»). Место выполнения диссертации -МИФИ и ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС».

В рамках ОКР поставлена задача разработать семейство СФ блоков звуковых СДЦАП и СДАЦП, а также универсальные, отлаженные методы и средства проектирования СДЦАП и СДАЦП (на начальном этапе -математические методы, методы выбора оптимальной структуры), применение которых позволит сократить время разработки СДЦАП и СДАЦП.

Методики и средства проектирования СФ блоков СДЦАП и СДАЦП разработаны за рубежом и активно используются ведущими мировыми производителями, однако информация о них, в имеющихся литературных источниках и технических документациях, отсутствует, в связи с тем, что она является конфиденциальной.

Основные исследования диссертации связаны с разработкой цифровых блоков в виде универсальных цифровых ядер, которые составляют основу СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона, а также с исследованием методик и средств их проектирования.

Цель диссертации

Цель диссертации - разработка цифровых ядер СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона и создание на их основе семейства СФ блоков

СДЦАП и СДАЦП для применения в СБИС типа «Система на кристалле», характеристики которых соответствуют зарубежным аналогам.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Исследование тенденций развития СДЦАП и СДАЦП, выпускаемых ведущими мировыми производителями.

2. Анализ архитектур и характеристик звуковых СДЦАП и СДАЦП. Анализ существующих методик разработки звуковых СДЦАП и СДАЦП.

3. Создание методик и средств проектирования СДЦАП звукового диапазона.

4. Создание методик и средств проектирования СДАЦП звукового диапазона.

5. Разработка семейства цифровых ядер СДЦАП и СДАЦП с требуемыми характеристиками с помощью созданных методик и средств проектирования.

6. Создание семейства СФ блоков СДЦАП и СДАЦП для СБИС типа «Система на кристалле» на основе разработанных цифровых ядер.

Научная новизна диссертации

1. Предложена оригинальная методика минимизации длины разложения коэффициентов цифрового фильтра, позволяющая уменьшить аппаратные затраты, необходимые для создания цифрового фильт]^ примерно на 30-40% (глава 3, стр. 64).

2. Разработан алгоритм, реализующий расчет и оптимизацию коэффициентов цифрового фильтра. Алгоритм позволяет рассчитать цифровой КИХ-фильтр, характеристики которого удовлетворяют требованиям ТЗ (глава 3, стр. 67).

3. Предложена методика минимизации аппаратных затрат сигма-дельта модулятора. Использование методики позволяет уменьшить размеры регистров и сумматоров примерно в 2 раза без ухудшения характеристик выходного сигнала (глава 3, стр. 87).

4. Предложен маршрут проектирования цифровых ядер СФ блоков СДЦАП и СДАЦП, характеристики которых удовлетворяют требуемым (глава 3, стр. 92, глава 4, стр. 115).

Результаты диссертации представлены в виде:

1. Разработанного семейства цифровых ядер СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона.

2. Методик и средств проектирования цифровых ядер СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона.

3. Программ, разработанных в рамках создаваемых методов и средств проектирования.

4. Методик минимизации аппаратных затрат при реализации основных цифровых блоков СДЦАП и СДАЦП.

Разработки внедрены на следующих предприятиях: ГУП НПЦ «ЭЛВИС» в проекте СБИС мультимедийного микропроцессора «Мультикам» в составе СФ блоков звуковых сигма-дельта ЦАП среднего класса и сигма-дельта АЦП низшего класса, ЗАО ЦП «Ангстрем-СБИС» при выполнении ОКР «Тон-СФ».

Планируется использование результатов диссертации в ФГУП НИИМА «Прогресс» в СБИС для цифрового телевидения.

Практическая значимость результатов диссертации

Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании широкого класса КМОП СБИС типа «Система на кристалле», а так же отдельных микросхем для обработки музыки, речевых сигналов. Так же возможно использование разработанной методики для расширения области применения СДЦАЛ и СДАЦП (медицина, гидроакустика, телекоммуникации) за счет перехода на другие диапазоны частот.

Апробация диссертации

Основные результаты диссертации были доложены на 3-й, 4-й, 5-й и 6-й научно-технической конференции. Электроника, микро- и наноэлектроника, проходивших в (Санкт-Петербурге в 2002-м году, в Костроме в 2003-м году, в Нижнем Новгороде в 2004-м году, в Вологде в 2005 году). А так же на конференциях «Молодежь и Наука», проведенных в 2001-м и 2002-м гг. и Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2005».

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений.

Основные выводы и результаты

Основным научным результатом диссертации является создание методики проектирования цифровых ядер СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона, что позволяет разработать СДЦАП и СДАЦП с требуемыми характеристиками за короткие сроки.

В ходе выполнения диссертации получены следующие результаты:

Теоретические результаты.

1. Разработана методика минимизации длины разложения коэффициентов цифрового фильтра. Методика позволяет уменьшить площадь, занимаемую фильтром на кристалле^на 5-10%.

2. Впервые предложен алгоритм, реализующий расчет и оптимизацию коэффициентов цифрового фильтра. Алгоритм позволяет рассчитать цифровой КИХ-фильтр, характеристики которого удовлетворяют требованиям ТЗ.

3. Предложена методика минимизации аппаратных затрат сигма-дельта модулятора. Методика позволяет сократить разрядность регистров и сумматоров сигма-дельта модулятора и сократить площадь, занимаемую модулятором на кристалле приблизительно на 30-40%.

Основной практический результат.

Разработано семейство цифровых ядер для звуковых СДЦАП и СДАЦП различных классов и семейство СФ блоков СДЦАП и СДАЦП с использованием предложенных методик. Разработаны цифровые ядра для СФ блоков СДЦАП низшего, среднего и высшего классов, а также СДАЦП низшего и среднего классов по технологиям уровня 0,6 мкм и 0,25 мкм.

Частные практические результаты.

1. Разработана программа расчета и оптимизации коэффициентов цифрового фильтра. Результатом работы программы являются коэффициенты цифрового фильтра, квантованные и оптимизированные по разработанной методике. Использование данной программы позволяет сократить время, необходимое на расчет коэффициентов цифрового фильтра приблизительно в 2 раза.

2. Предложен маршрут проектирования цифровых ядер СФ блоков СДЦАП и СДАЦП, характеристики которых удовлетворяют требуемым.

3. Произведено тестирование СФ блоков, в которых использовались разработанные цифровые ядра СДЦАП и СДАЦП. Получены следующие характеристики: СДЦАП низшего класса (SNR=-48 дБ), СДЦАП среднего класса (SNR=-94 дБ), СДЦАП высшего класса (SNR=-106 дБ), СДАЦП низшего класса (SNR=-72 дБ), СДАЦП среднего класса (SNR=-95 дБ). По результатам расчетов и измерений можно сделать вывод, что характеристики блоков полностью соответствуют заявленным.

Результаты диссертации были внедрены в ходе разработки СДЦАП высшего, среднего и низшего классов и СДАЦП среднего и низшего классов. Разработки внедрены на следующих предприятиях: НГУП НПЦ «Элвис», ЗАО «Ангстрем-СБИС».

Работы выполнены по ОКР «Тон-СФ», проводимой в рамках программы «Национальная технологическая база» по проектированию СФ блоков СДЦАП и СДАЦП звукового диапазона.

1. Candy J.C., Gabor С. Temes. Oversampling Delta-Sigma Data Converters // IEEE Press. 1992 - P. 11-13.

2. U.S. Patent, No. 3,526,855. Pulse code modulation and differential pulse code modulation encoders / McDonald H.S.- 2 p.: pic.

3. Candy J.C. A use of limit cycle oscillations to obtain robust analog-to-digital converters // IEEE Trans. Commun-1974- COM-22.-P.298-305.

4. Ritchie G.R., Candy J.C., Ninke W.H. Interpolative digital to analog converters // IEEE Trans. Commun.- 1974 COM-22.- P. 1797-1806.

5. U.S. Patent No 2,927,962. Transmission systems, employing quantization / Cutler C.C.- 3 p.: pic.

6. Inose H., Yasuda H., Murakami J. A telemetering system code modulation A - £ modulation // IRE Trans. Space Elect. Telemetry.-1962.- SET-8.- P.204-209.

7. Das J., Chattejee P.K. Optimized A modulation systems // Elect. Lett.-1967-№3.-P. 286-287.

8. Lee W.L., Sodini C.G. A topology of higher order interpolative coders // IEEE Proc. ISCAS'90 1990. P. 372-375.

9. Тенденции развития микросхем и блоков со смешанной обработкой сигналов: Аннотационный отчет / ЗАО «Ангстрем-СБИС». -2005.-С. 4-50.

10. Analog-Digital Conversion: Catalog / Analog Devices. New York., 2004.- 253 p.

11. Audio Solutions Guide: Guide / Texas Instruments-Dallas, 2005 56 p.

12. Candy J., Temes G. Oversampling methods for A/D and D/A conversion. Oversampling Delta-Sigma Data Converters- New York.: IEEE Press, 1992.- 275 p.

13. Candy J., Benjamin O.J. The structure of quantization noise from sigma-delta modulation // IEEE Trans. Commun.- 1981- COM-29 P. 1316-1323.

14. Hauser M.W., Brodersen R.W. Circuit and technology considerations for MOS delta-sigma A/D converters // IEEE Proc. ISCAS '86- 1986. P. 1310-1315.

15. Leung B.H., Gray P.R., Brodersen R.W. Area-efficient multichannel oversampled PCM voice-band coder // IEEE J. Solid-Slate Circuits.-1988.-Vol. SC-23.-P. 1351-1357.

16. Boser, Wooley B.A. The design of sigma-delta modulation analog-to-digital converters // IEEE J. Solid-State Circuits 1987 - Vol. SC-23.-P. 1298-1308.

17. Wikner J.J. Studies on CMOS Digital-to Analog Converter. Dissertation. Philosophy doctor.- Linkoping., 2001,- 276 p.

18. Spang H.A., Schultheiss P.M. Reduction of quantizing noise by use of feedback // IRE Trans. Commun. Sys.- 1962 P.373-380.

19. Norsworthy S.R., Schreier R., Temes G.C. Delta-sigma data converters -Theory, Design, and Simulation.- New York.: IEEE Press, 1992.-136 p.

20. Logo L., Copeland M. A 13 bit ISDN-band oversampled ADC using two-stage third order noise shaping // IEEE Proc. Custom.- 1988.- P. 1-21.

21. Candy J.C., Ching Y.C., Alexander D.S. Using triangularly weighted interpolation to get 13-bit PCM from a sigma-delta modulator // IEEE Trans. Commun- 1981- COM-29.- P. 815-830.

22. Netravali A.N. Optimum filters for interpolative A/D converters // Bell Sys. Tech. J.- 1977.- Vol. 56.- P. 1629-1641.

23. Ardalan S.H., Paulos J.J. An analysis of nonlinear behavior in delta-sigma modulators // IEEE Trans. Circuits Sys 1991- Vol. CAS-34 - P. 593-603.

24. Chao H., Nedeem S., Lee W.L. A higher order topology for interpolative modulators for oversampling AID conversion // IEEE Trans. Circuits Sys.- 1990.- Vol. Cas-37.- P. 309-318.

25. Brandt B.E., Wingard D.E., Wooley B.A. Second-order sigma-delta signal acquisition // IEEE J. Solid-State Circuits 1991.- Vol. SC-26 - P. 618-627.

26. Williams L.A., Wooley B.A. Third-order cascade sigma-delta modulators // IEEE Trans. Circuits Sys.- 1994.- Vol. CAS-38.- P. 489-490.

27. Matsuya Y., Uchimura K., Iwata A. A 16-bit oversampling A-to-D conversion technology using triple-integration noise shaping // IEEE J. Solid-State Circuits.- 1987.- Vol. SC-22.- P. 921-929.

28. Adams R.W. Companded predictive delta modulation; a low cost conversion technique for digital recording // J. Audio Eng. Soc- 1984. -Vol. 32.- P. 659-672.

29. Candy J.C. Decimation for sigma delta modulation // IEEE Trans. Commun.- 1984.- Vol. CAS-31.- P. 913-924

30. Hogenaur E.B. An economical class of digital filters for decimation and interpolation // IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Proc.- 1981.-Vol. ASSP-29- P. 112-115.

31. Ritchie G.R., Candy J.С. Interpolative digital to analog converters // IEEE Trans. Commun- 1974.-Vol.COM-22.-P. 1797-1806.

32. U.S. Patent. No. 4,467,316. Generalized interpolative method for digital/analog conversion of PCM signals / Musmann H.G., Korte W-lp.: pic.

33. Candy J.C., Huynh An-Ni. Double interpolation for digital-to-analog conversions // IEEE Trans. Commun 1986 - Vol COM-34 - P. 77-81.

34. Adams R.W. Design and implementation of an audio 18-bit analog-to-digital converter using oversampling techniques // Audio Eng. Soc-1986.-Vol. 34.-P. 153-166.

35. Adams R.W., Ferguson P.F., Ganesan A. Theory and practical implementation of a fifth-order sigma-delta AID converter // Audio Eng. Soc.- 1991.- Vol. 39 P. 515-528.

36. Ritoniemi Т., Karema Т., Tenhunen H. The design of stable high order 16-bit sigma-delta modulators // Proc. 1990 IEEE Int. Symp. Circuits Sys.- 1990.- Vol. 4.- P. 3267- 3270.

37. Ardalan S.H., Paulos J.J. Analysis of nonlinear behavior in delta-sigma modulators // IEEE Trans.Circuits Sys.-1987.-Vol.34.-P.593-603.

38. Schreier R. Destabilizing limit cycles in delta-sigma modulators with chaos // Proc.IEEE Int. Symp. Circuits Sys 1993 - Vol. 2. P. 1369-1372.

39. Kuhlman F, Buzo A. Multiloop sigma-delta quantization // IEEE Trans. Inf. Theory.- 1992.-Vol. 38. P. 1015-1028.

40. Schreier R., Yang Y. Stability tests for single-bit sigma-delta modulators with second-order FIR noise transfer functions // Proc. IEEE Int. Symp. Circuits Sys 1992.- Vol. 2.- P. 154-157.

41. Hein S., Zakhor A. On the stability of interpolative sigma delta modulators // Proc. 1991 IEEE Int. Symp. Circuits Sys 1991.- Vol. 3-P. 1621-1624.

42. Hein S., Ibrahim, Zakhor A. New properties of sigma-delta modulators with DC inputs // IEEE Trans. Commun.- 1992.- Vol. 40-P.1375-1387.

43. Wang H. Modulation from the perspective of nonlinear dynamics // Proc.1992 IEEE Int. Symp. Circuits Sys- 1992.- Vol. 3 P. 1296-1299.

44. Wang H. A geometric view of modulations // IEEE Trans. Circuits Sys. II: Analog Digital Signal Proc - 1992 - Vol. 39 - P. 402.

45. Hein S, Zakhor A. On the stability of sigma delta modulators // IEEE Trans. Signal Proc 1993- Vol. 41- P. 2322-2348.

46. Wang H. On the stability of third-order sigma-delta modulation // Proc.1993 IEEE Int. Symp. Circuits Sys.- 1993.-Vol. 2.- P. 1377-1380.

47. Wang H. A study of sigma-delta modulations as dynamical systems: Ph.D. Dissertation.- Columbia University.- 1993.- 203 p.

48. Стенин В.Я. Моделирование аналого-дискретных систем. Учебное пособие М.: МИФИ, 1989. - 92с.

49. Глова А.Ф. Расчет и применение цифровых фильтров. Тексты лекций М.: МИФИ, 1998. - 76с.

50. Гольденберг JI.M. Цифровая обработка сигналов. Справочник,- М.: Радио и Связь, 1985. 312с.

51. Рабинер Р., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1978. 848 с.

52. Белоусов А.Ю., Антонов С.В. Метод синтеза интерполирующих цифровых фильтров с дискретными коэффициентами // Научная сессия МИФИ-2000: Сборник научных трудов Т. 13 - М.:МИФИ, 2004.- С. 54-57.

53. Adams R.W. Design and implementation of an audio 18-bit analog-to-digital converter using oversampling techniques // Audio Eng. Soc.-1986.-Vol. 34.-P. 153-166.

54. Schreirer R. The delta-sigma toolbox / Analog Devices Inc-1999- 25p.

55. Candy J.C., Temes G.C. Oversampling methods for AID and D/A conversion.-New York.: IEEE Press, 1992 275 p.

56. Larsen L.E. Multi-bit oversampled sigma-delta AID converter with digital error correction // Electron. Lett 1988 - V. 24.- P. 1051-1052.

57. Kramer A.R., Temes G.C. Digitally corrected multi-bit sigma-delta data converters // Cataltepe IEEE Proc. ISCAS'89- 1989 P. 647-650.

58. Leslie T.C., Singh B. An improved sigma-delta modulator architecture // IEEE Proc. ISCAS'89.- 1989.- V. 1.- P. 372-375.

59. Sarhang-Nejad M. Temes G.C. A high-resolution multi-bit SD ADC with digital correction and relaxed amplifier requirements // IEEE J. Solid-State Circuits.- 1993- Vol. 28.-P. 648-660.

60. Состав информации и форматы ее передачи для тестирования цифровых СФ блоков (Вторая редакция). ШИЛГ 430109.003 РМ. -М.:ФГУП НИИМА «Прогресс», 2002.- 12 с.

61. IEEE Std. 1149.1а. IEEE Standard Test Access Port and Boundary Scan Architecture IEEE Press, 1993 - 256 p.

62. Benabdenbi M., Maroufi W., Marzouki M. Testing TAPed Cores and Wrapped Cores With The Same Test Access Mechainsm // IEEE Design, Automation and Test in Europe (DATE).- 2001 P.150-155.

63. AMBA Specification (Rev. 2.0): Specification/ ARM Corp. 1999 230p.

64. Bonnett D. The boundary scan infrastructure: a primer on how boundary scan, or JTAG, works // UP Media Group Inc.- 2005 Vol. 16 - 30 p.

65. Добровольский O.A., Самонов A.A. Схемы цифровой коррекции сигма-дельта АЦП с многоразрядным квантователем // 6-я научно-техническая конференция. Электроника, микро- и наноэлектроника: Сборник научных трудов М.:МИФИ, 2004 - С. 80-84.

66. Сложно-функциональный блок моно сигма-дельта ЦАП низшего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО «Ангстрем-СБИС».- 2004. 42 с.

67. Сложно-функциональный блок стерео сигма-дельта ЦАП среднего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО «Ангстрем-СБИС».- 2004. 46 с.

68. Сложно-функциональный блок стерео сигма-дельта ЦАП высшего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО «Ангстрем-СБИС».- 2004. 47 с.

69. Сложно-функциональный блок моно сигма-дельта АЦП низшего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО «Ангстрем-СБИС».- 2004. 37 с.

70. Сложно-функциональный блок стерео сигма-дельта АЦП среднего класса для аудио приложений: Техническое описание / ЗАО «Ангстрем-СБИС»,- 2004. 38 с.