帶有時(shí)標(biāo)的嵌入式語音信號錄取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了滿足語音電臺抗干擾客觀評估系統(tǒng)對語音文件對準(zhǔn)精度的要求，在FPGA平臺上設(shè)計(jì)一種基于SOPC技術(shù)的帶有時(shí)間標(biāo)記信息的嵌入式語音信號錄取系統(tǒng)。在GPS接收機(jī)時(shí)間信息和秒脈沖觸發(fā)下，NiosⅡ軟核處理器控制音頻Codec芯片WM8731對輸入的音頻信號進(jìn)行高精度采集，將觸發(fā)時(shí)間信息和采集得到的數(shù)據(jù)按照特定的格式進(jìn)行打包與封裝，并以FAT文件格式存儲(chǔ)到SD卡上。由于GPS系統(tǒng)時(shí)間信息具有很高的時(shí)間精度，加之FPGA器件具有的時(shí)序可控特性，使得采集系統(tǒng)所記錄的數(shù)據(jù)具有較高的絕對時(shí)間精度，完全能夠滿足誤差小于1 ms的對準(zhǔn)精度要求。
關(guān)鍵詞：錄取；時(shí)標(biāo)；嵌入式；SOPC；NiosⅡ

0 引言
語音通信電臺是當(dāng)今軍事指揮、工業(yè)調(diào)度和日常生產(chǎn)活動(dòng)中主要的溝通設(shè)備，其通信質(zhì)量與抗干擾能力將對國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生直接影響。語音電臺抗干擾客觀評估系統(tǒng)(以下簡稱評估系統(tǒng))通過數(shù)字信號處理算法比較在發(fā)送電臺端錄取的標(biāo)準(zhǔn)語音文件與在接收電臺端錄取的失真語音文件之間的信號特征，給出語音電臺的抗干擾性能參數(shù)。由于語音信號是按照每20 ms一個(gè)語片進(jìn)行處理，故對語音信號的對準(zhǔn)提出了較高的要求，為了達(dá)到較高的評估精度，對準(zhǔn)誤差應(yīng)小于1 ms。
為了滿足上述技術(shù)指標(biāo)，本文采用當(dāng)前剛剛興起的SOPC(System On a Programmable Chip)技術(shù)在FPGA(Field Programmable Gate Arr ay)平臺上設(shè)計(jì)了一種帶有時(shí)標(biāo)的嵌入式語音信號錄取系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過捕獲GPS(Global Positioning System)系統(tǒng)的授時(shí)信息和秒脈沖信號，觸發(fā)SOPC系統(tǒng)中NiosⅡ嵌入式軟核處理器進(jìn)入外部中斷，調(diào)用中斷處理函數(shù)啟動(dòng)音頻Codec芯片WM8731，對Line-in通道輸入的模擬語音信號進(jìn)行48 KSPS采樣率、16 b采樣精度的錄取，將觸發(fā)錄取的時(shí)間信號作為時(shí)標(biāo)與錄取得到的數(shù)據(jù)按照特定數(shù)據(jù)格式進(jìn)行打包和封裝，并利用FAT文件系統(tǒng)將封裝好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡(Secure Digital Card)中。由于GPS秒脈沖前沿可以達(dá)到微秒級精度，加之WM8731控制接口采用Verilog語言編寫，從而保證了絕對時(shí)間誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1 ms的技術(shù)要求。

1 系統(tǒng)組成
SOPC是基于可編程邏輯器件的可重構(gòu)片上系統(tǒng)(SOC)，它集成了硬核或軟核CPU、DSP、鎖相環(huán)、存儲(chǔ)器、I／O接口及可編程邏輯，由于具有設(shè)計(jì)靈活、研制周期短、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用在通信、工控、信號處理等諸多領(lǐng)域。
為了給評估系統(tǒng)提供高精度、帶有時(shí)標(biāo)的語音數(shù)據(jù)源，本文采用SOPC技術(shù)在FPGA平臺設(shè)計(jì)了一套帶有時(shí)標(biāo)的嵌入式語音信號錄取系統(tǒng)(以下簡稱錄取系統(tǒng))。錄取系統(tǒng)由片上系統(tǒng)和外圍系統(tǒng)兩部分組成。片上系統(tǒng)包括：NiosⅡ嵌入式軟核處理器、GPS控制器、SD卡控制器、SDRAM控制器、Audio控制器、Ethernet控制器、GPIO控制器以及內(nèi)部Avalon總線；外圍系統(tǒng)包括：GPS接收機(jī)M12MT、SD存儲(chǔ)卡、SDRAM存儲(chǔ)芯片、Audio Codec芯片WM8731、Ethernet物理層芯片DM9000A和傳輸變壓器以及按鍵和LED等輸入與顯示器件等。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在FPGA平臺上設(shè)計(jì)SOPC系統(tǒng)為本文的核心工作。FPGA芯片選擇Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C35F672C6N，其具有33 216個(gè)邏輯宏單元、105個(gè)M4K存儲(chǔ)單元、4個(gè)鎖相環(huán)以及475個(gè)通用I／O口。FPGA開發(fā)環(huán)境采用QuartusⅡ，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用SOPC Buildero由于Nios Ⅱ嵌人式軟核CPU、SDRAM控制器、Ethernet控制器和GPIO控制器都是SOPC Builder中集成的通用IP核，直接調(diào)用即可，故本文不做詳細(xì)介紹，下面對GPS控制器、Audio控制器和SD卡控制器進(jìn)行詳細(xì)介紹。
2．1 GPS授時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中所使用M12MT是一款5 V供電、RS 232電平NAEA 0183格式串行輸出、TTL電平秒脈沖(PPS)輸出型GPS模塊，由于FPGA芯片I／O口是3．3 V電平，故需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，串口電平轉(zhuǎn)換采用美信(Maxim)公司生產(chǎn)的MAX3232芯片，秒脈沖信號由TI公司生產(chǎn)SN74AHC1G04單緩反向器芯片生成。
由于SOPC Builder中的UART核通信協(xié)議可以與GPS串口輸出協(xié)議兼容，故本設(shè)計(jì)中經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換的信號與片內(nèi)UART核相連，其參數(shù)設(shè)為：波特率為9 600b／s、1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。秒脈沖經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與PIO控制器相連，其參數(shù)設(shè)為輸入模式、帶有中斷功能、邊沿觸發(fā)中斷、下降沿觸發(fā)中斷。
2．2 音頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了達(dá)到較高的錄音品質(zhì)，本設(shè)計(jì)中選用Wolfson公司生產(chǎn)的音頻Codec芯片WM8731，其最高可支持96 KSPS采樣率、24 b采樣精度的立體聲輸入／輸出?？紤]到語音電臺抗干擾評估系統(tǒng)的特殊要求和存儲(chǔ)空間、處理速度等條件的限制，本設(shè)計(jì)中通過軟件設(shè)置，使WM8731工作在48 KSPS采樣率、16 b采樣精度、單聲道的工作模式下。
WM8731的控制接口和音頻數(shù)據(jù)接口分別采用I2C總線和I2S總線，由于控制總線數(shù)據(jù)量較少，加之I2C總線時(shí)序比較簡單，故采用程序控制PIO模擬I2C總線的方式對其進(jìn)行控制；由于數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)量較大，并且必須保證數(shù)據(jù)的完整性，本設(shè)計(jì)采用Verilog硬件描述語言編寫了一個(gè)Audio控制器，完成采樣控制、數(shù)據(jù)緩存以及與Avalon總線接口等功能。