一種基于音頻解嵌的異步FIFO設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

　在視音頻嵌入解嵌系統(tǒng)中，嵌入音頻、音頻解嵌與音頻轉(zhuǎn)換成音頻幀標(biāo)準(zhǔn)格式輸出都是工作在不同的時(shí)鐘頻率下的。多時(shí)鐘帶來(lái)的問(wèn)題就是如何設(shè)計(jì)異步時(shí)鐘之間的接口電路。
　異步FIFO存儲(chǔ)器是一種在數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用的先進(jìn)先出邏輯器件，具有容納異步信號(hào)的頻率(或相位差異)的特點(diǎn)。使用異步FIFO可以在兩個(gè)不同時(shí)鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因此，異步FIFO被廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)接口、圖像處理等方面。
　雖然目前也出現(xiàn)了一些通用的異步FIFO內(nèi)核，但在一些具體環(huán)境下其工作效率并不是最理想的。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文介紹了一種適合音頻解嵌的高效異步FIFO，對(duì)通用異步FIFO進(jìn)行了一些改進(jìn)，最后利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)。
1 SDI音頻嵌入基本格式
　在模擬視頻中存在著行、場(chǎng)消隱期，而行、場(chǎng)消隱期內(nèi)并不存在有效圖像信號(hào)。對(duì)于數(shù)字視頻信號(hào)，同樣地也存在沒有有效視頻信號(hào)的區(qū)間。
模擬視頻中的行消隱期間，在數(shù)字視頻中被稱為行輔助數(shù)據(jù)區(qū)HANC(Horizontal Ancillary Data)。分量數(shù)字視頻格式的每一個(gè)有效行中，625/50制共有1 728個(gè)取樣字(525/60制為1 716個(gè)取樣字)，其中對(duì)Y、Cb和Cr取樣有1 440個(gè)取樣字(0～1 439)。而對(duì)行消隱期間的取樣可以有288個(gè)取樣字(525/60制為276個(gè)取樣字)。
目前輔助數(shù)據(jù)區(qū)也即行消隱區(qū)最大的用途是放置數(shù)字音頻，被放置的數(shù)字音頻稱為嵌入音頻。圖1是AES/EBU音頻數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)[1]。

　一個(gè)音頻塊由192個(gè)連續(xù)幀組成，每個(gè)幀包含相關(guān)的兩個(gè)子幀，使得一個(gè)數(shù)字音頻碼流可以作為立體聲、雙聲道模式使用。這兩個(gè)子幀(32 bit)分別表示一個(gè)音頻通道中的一個(gè)音頻樣本，每個(gè)子幀的32 bit中包含24 bit的音頻數(shù)據(jù)和一些輔助數(shù)據(jù)。
　音頻嵌入就是將每個(gè)子幀的32 bit信息按照SMPTE-292[2]標(biāo)準(zhǔn)分別嵌入到3個(gè)數(shù)據(jù)字和一個(gè)輔助數(shù)據(jù)字中，并將這些數(shù)據(jù)字嵌入到HANC中。解嵌的目的就是把每個(gè)音頻子幀對(duì)應(yīng)的這4個(gè)字找到，按照順序把這些子幀組合成AES/EBU音頻塊格式，使輸出為直接可識(shí)別的音頻碼流。
2 通用異步FIFO設(shè)計(jì)
2.1 通用異步FIFO結(jié)構(gòu)
　圖2所示為通用異步FIFO結(jié)構(gòu)，一般由四個(gè)模塊構(gòu)成：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、寫地址產(chǎn)生模塊、讀地址產(chǎn)生模塊和標(biāo)志位產(chǎn)生模塊。

　系統(tǒng)分為讀時(shí)鐘和寫時(shí)兩個(gè)完全獨(dú)立的時(shí)鐘域。讀寫兩端的使能和時(shí)鐘信號(hào)作為讀寫指針控制的基礎(chǔ)控制輸入信號(hào)。更新的讀寫指針既作為存儲(chǔ)器的寫入讀出地址又作為標(biāo)志信號(hào)模塊的輸入。標(biāo)志產(chǎn)生模塊通過(guò)對(duì)讀寫地址的比較來(lái)得到存儲(chǔ)器的空、滿標(biāo)志信號(hào)。將寫滿信號(hào)和讀空信號(hào)分別反饋到寫指針和讀指針控制模塊，控制指針值的更新。
2.2 亞穩(wěn)態(tài)消除方法
　由于讀寫標(biāo)志控制分別工作于不同的時(shí)鐘域，在其產(chǎn)生電路中，如果比較觸發(fā)器建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求沒有得到滿足，觸發(fā)器就會(huì)進(jìn)入一個(gè)介于邏輯1和邏輯0的中間狀態(tài)，稱之為亞穩(wěn)態(tài)。為了降低亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率，可采用格雷碼地址計(jì)數(shù)[3]。二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)值增加時(shí)，可能同時(shí)會(huì)有多位數(shù)值發(fā)生變化，而格雷碼計(jì)數(shù)器每次加1只有一位數(shù)值發(fā)生變化。所以將二進(jìn)制讀寫指針轉(zhuǎn)換為格雷碼，送到另一個(gè)時(shí)鐘域進(jìn)行比較，可以降低亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率。
2.3 空、滿標(biāo)志產(chǎn)生
　通過(guò)對(duì)讀寫格雷碼地址高兩位的比較，得到存儲(chǔ)器工作的滿空趨勢(shì)[4]，再比較地址值是否相等最終判斷空、滿標(biāo)志。把這兩個(gè)2 bit數(shù)組合成4 bit數(shù)的16種組合，可以得到：當(dāng)寫地址格雷碼最高兩位和讀地址格雷碼最高兩位分別組合為：0001、0111、1110、1000時(shí)，存儲(chǔ)器趨向滿狀態(tài)；為0100、1101、1011、0010時(shí)，存儲(chǔ)器趨向空狀態(tài)。
空、滿趨勢(shì)通過(guò)事件觸發(fā)，隨時(shí)根據(jù)讀寫地址的更新值進(jìn)行判斷。再結(jié)合讀寫地址的比較結(jié)果來(lái)最終判斷存儲(chǔ)器的空、滿狀態(tài)。
3 改進(jìn)型異步FIFO設(shè)計(jì)
3.1 改進(jìn)方案
　根據(jù)AES/EBU音頻格式可知，每192幀(384子幀)音頻構(gòu)成一個(gè)AES/EBU音頻塊，作為一個(gè)連續(xù)輸出單位，并用一個(gè)Z標(biāo)志來(lái)指示這一音頻塊的開始。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)了一種專用于該音頻格式輸出的異步FIFO。該異步FIFO具有單端復(fù)位，并根據(jù)寫地址復(fù)位寄存值作為讀地址更新的參考，使讀數(shù)據(jù)更可靠。FIFO深度設(shè)計(jì)為384子幀，位寬為24 bit。當(dāng)用每個(gè)存儲(chǔ)單元(24 bit)存儲(chǔ)一個(gè)子幀中的音頻數(shù)據(jù)碼來(lái)指示地址時(shí)，由于設(shè)計(jì)深度為384子幀，利用9 bit格雷碼來(lái)指示地址時(shí)，最高兩位不會(huì)達(dá)到10的情況下，那么在滿、空標(biāo)志判斷中的趨勢(shì)判斷就可以少考慮一種情況，即寫、讀地址格雷碼最高兩位組合為0001、0111、1100時(shí)，趨向滿；為0100、1101、0011時(shí)，趨向空。這種改善，既減小了存儲(chǔ)器的大小，又減小了程序的復(fù)雜度。
　考慮到解嵌的音頻信號(hào)可能存在丟幀、錯(cuò)幀，有的時(shí)候可能一塊數(shù)據(jù)中并沒有192幀的數(shù)據(jù)，而只是一部分?jǐn)?shù)據(jù)，因此，在實(shí)際工作中需要利用塊開始標(biāo)志Z復(fù)位寫地址指針。為了保證輸出端也能在讀地址復(fù)位的地方進(jìn)行復(fù)位，保證輸出的音頻塊與輸入端對(duì)應(yīng)，本設(shè)計(jì)提出了利用一個(gè)地址寄存器寄存寫地址復(fù)位時(shí)的寫地址，并利用該地址作為讀地址指針更新參考，這樣就增加了讀取數(shù)據(jù)的可靠性。
　圖3是改進(jìn)的(讀寫?yīng)毩?fù)位)異步FIFO結(jié)構(gòu)。

3.2 設(shè)計(jì)仿真
　系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，利用Quartus II進(jìn)行RTL級(jí)的邏輯設(shè)計(jì)并綜合處理，然后設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)[5]，利用Modelsim仿真工具對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行門級(jí)仿真。根據(jù)設(shè)計(jì)的異步FIFO 的工作特性，仿真平臺(tái)對(duì)FIFO工作到滿狀態(tài)、空狀態(tài)，以及寫指針復(fù)位后的讀操作進(jìn)行了較全面的覆蓋。
　下面是測(cè)試平臺(tái)的激勵(lì)生成代碼：
always #40 wr_clk=~wr_clk；
always #10 rd_clk=~rd_clk；
always @(posedge wr_clk) begin
　　　if(!rstn) begin
　　　　wr_data=0；
　　　　cntw=0；
　　　　rd_en=0；
　　　　wr_en=0；
　　end
else if(cntw==400) begin
　　　　rd_en=1；
　　　　cntw=cntw+1；
end
else if(cntw==500) wr_rstn=0；
else begin
　　　　wr_en=1；
　　　　wr_rstn=1；
　　　　wr_data=wr_data+1；
　　　　cntw=cntw+1；
　　　end
　end
　代碼的功能是在較低的時(shí)鐘速率下，先進(jìn)行寫操作，等到確保寫滿后(即計(jì)數(shù)達(dá)到400時(shí))，以高速的讀操作來(lái)讀取數(shù)據(jù)，并繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到500時(shí)，對(duì)寫操作復(fù)位，此時(shí)的復(fù)位地址是98。
根據(jù)上述的改進(jìn)方法，設(shè)計(jì)、仿真完成后，用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C10E144C8芯片實(shí)現(xiàn)電路程序設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果如圖4所示。在圖中可以看到，wr_addr_rst的值一開始默認(rèn)為383，但寫入端有寫復(fù)位時(shí)，即為寫復(fù)位時(shí)的地址值98，該值也即作為讀操作的地址復(fù)位參考值傳遞到讀操作模塊。等到讀操作進(jìn)行第二輪讀取并讀到第98個(gè)地址時(shí)，再?gòu)?fù)位到0地址時(shí)，仿真完成。

　本文基于FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)器，提出了一種針對(duì)視音頻解嵌系統(tǒng)更具效率的異步FIFO，對(duì)通用的FIFO進(jìn)行改進(jìn)，并利用硬件描述語(yǔ)言及相應(yīng)的仿真工具實(shí)現(xiàn)了功能仿真。仿真結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能很好地按照設(shè)計(jì)的意圖工作。此外，還針對(duì)視音頻解嵌系統(tǒng)中，音頻塊輸出端異步FIFO提出了寫復(fù)位地址寄存，讀地址根據(jù)此寄存值來(lái)進(jìn)行更新及復(fù)位的改進(jìn)，提高了異步FIFO的工作效率和可靠性。
參考文獻(xiàn)
[1] Working group on digital input-output interfacing.數(shù)字音頻AES3接口標(biāo)準(zhǔn)——線性表示雙信道數(shù)字音頻數(shù)據(jù)的串行傳輸格式[J].劉欣榮譯.有線電視技術(shù)，2003(8).
[2] AVE W H， PLAINS W. SMPTE292M， television bit2 serial digital interface for high2 definition television systems[S]. NY，10607(914)：761-1100.
[3] 汪東，馬劍武，陳書明.基于Gray碼的異步FIFO接口技術(shù)及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2005(11).
[4] 王淼，宋晗.異步FIFO的FPGA實(shí)現(xiàn)[J].微處理機(jī)，2004(8).
[5] NAVABI Z.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)——RTL綜合、測(cè)試平臺(tái)與驗(yàn)證(第二版)[M].李廣軍，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.