在现代音频信号处理系统中,脉冲密度调制(PDM)信号与脉冲编码调制(PCM)信号扮演着不可或缺的角色。现代音频系统通常采用Σ-Δ调制器将模拟信号转化为高频低精度的PDM信号,并采用数字降采样滤波器对PDM信号进行抽取及滤波处理,实现PCM信号输出。针对Σ-Δ调制器、降采样滤波器开展系统研究与设计,这对微机电麦克风、专业音频解码芯片的具体实现有着重要的指导意义。本文针对音频领域常用的PDM信号与PCM信号展开研究,以实现高阶高精度Σ-Δ调制器、完成PDM-PCM信号转化为研究目标,构建音频信号处理系统。本文设计完成的音频信号处理系统主要包含有Σ-Δ调制器与降采样滤波器两大模块。设计实现的四阶一位单环路Σ-Δ调制器信噪失真比达到105.6dB,可用于生成高频低精度的1位PDM信号;针对Σ-Δ调制器设计所得的降采样滤波器实现了 64倍抽取,滤除信号带外的噪声分量,成功地将1位PDM信号转化为16位精度的PCM信号,并针对数字降采样滤波器进行了 FPGA验证。本文的主要研究成果如下:(1)完成适用于音频领域的高阶高精度Σ-Δ调制器设计。通过系统建模、参数选取、结构选取完成四阶Σ-Δ调制器的环路设计,并引入了零点优化从而有效提高了Σ-Δ调制器的信噪比,并利用MATLAB对各环路滤波形态的单环路Σ-Δ调制器进行建模与SIMULINK仿真,通过建模、推导建立了零点优化环路与Σ-Δ调制器传递函数之间的关系。(2)改善高阶Σ-Δ调制器的稳定性。由于高阶单环路Σ-Δ调制器在输入信号幅度较大时稳定性较差,本文引入幅度削减单元抑制量化器过载现象,微调带外增益,并在进行调制器设计时严格控制环路滤波器的极点位置,从而有效扩大了调制器可输入信号的范围,改善了高阶调制器的稳定性。最终设计所得的四阶一位改进型CRFFΣ-Δ调制器具有[-0.78V,+0.78V]的宽输入范围,其信噪失真比SNDR达到105.6dB,有效位数ENOB达到17.24bit,可作为音频信号处理系统的前级单元,实现模拟信号到PDM信号的转化。(3)完成PDM信号到PCM信号的转化。采用CIC滤波器、CIC补偿滤波器、低通滤波器三级级联的方式实现整体滤波器,将高频低精度的PDM信号转化为低频高精度的PCM信号。利用CIC滤波器实现16倍抽取,对PDM信号实现较大幅度的降采样,补偿滤波器与低通滤波器各实现2倍抽取,从而将PDM信号由过采样频率降低到奈奎斯特频率附近,滤除信号带外噪声分量,完成PDM-PCM信号的转化。(4)针对CIC滤波器所存在的弊端进行改进。一方面,由于CIC滤波器的通带滚降过大,通过引入升幅FIR滤波器与ISOP滤波器进行对比仿真,最终选用升幅FIR滤波器实现通带衰减补偿,有效改善了降采样滤波器的通带特性;另一方面,传统CIC滤波器的级联结构存在运算速率低、功耗较大的弊端,通过引入多相分解技术并进行Nobel变换,将传统递归结构优化为一种改进型非递归结构,将16倍抽取的任务依次分发到各个子滤波器,有效降低了 CIC滤波器的功耗,并提升了运算速率。(5)搭建嵌入式系统进行验证。通过硬件描述语言Verilog HDL完成数字降采样滤波器的RTL实现,并利用Modelsim工具进行仿真验证,搭建FPGA平台验证降采样滤波器的硬件设计结果;同时,还搭建了 STM32单片机音频系统以测试ST公司现有的滤波处理技术,进而分析不同的嵌入式PDM-PCM音频信号转化系统的异同与优劣。