AC-Link數(shù)字音頻VHDL編/解碼的FPGA設(shè)計(jì)

       提出一種利用FPGA實(shí)現(xiàn)AC-Link數(shù)字音頻處理的設(shè)計(jì)方案.AC-Link音頻編解碼系統(tǒng)以VHDL模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),經(jīng)過(guò)波形仿真和結(jié)果驗(yàn)證后,將程序下載到FPGA中實(shí)現(xiàn)1這種設(shè)計(jì)方法可以縮短設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)的可靠性和效率。
　　

        引言

        數(shù)字音頻處理是指為真實(shí)再現(xiàn)聲音的逼真效果而對(duì)音頻進(jìn)行的編解碼處理技術(shù),它是寬帶網(wǎng)絡(luò)多媒體、移動(dòng)多媒體通信的關(guān)鍵技術(shù).Audio Codec′97(音頻數(shù)字信號(hào)編/解碼器)是其中一種用于聲音錄放的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),簡(jiǎn)稱AC′97. AC′97采用雙集成結(jié)構(gòu),即Digital Controller(數(shù)字信號(hào)控制器)和Audio Codec(音頻編解碼),使模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC和數(shù)?模轉(zhuǎn)換器DAC轉(zhuǎn)換模塊獨(dú)立,盡可能降低EMI(電磁干擾)的影響。

        利用FPGA,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制,對(duì)大量音頻數(shù)據(jù)做并行處理.FPGA提供可編程時(shí)鐘發(fā)生器,滿足音視頻處理要求的時(shí)鐘范圍寬、相位抖動(dòng)(Phase Jitter)小的要求,并為系統(tǒng)提供可控延時(shí)。

　　1　AC-Link音頻編/解碼原理

        AC-Link是連接Digital Controller和Audio Codec的5線串行時(shí)分多路I/O接口,固定時(shí)鐘頻率48kHz由串行位時(shí)鐘12.288MHz經(jīng)256分頻而來(lái),支持一個(gè)控制器和最多4個(gè)編碼器. AC-Link只能傳輸48kHz固定取樣率的PCM(脈沖編碼調(diào)制)信號(hào),字長(zhǎng)從16Bit到20Bit,其它取樣率的PCM信號(hào)須經(jīng)過(guò)SRC(取樣率轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換成48kHz。

        AC-Link接口時(shí)序如圖1所示,輸入輸出音頻數(shù)據(jù)和控制寄存器的讀寫命令組織在一幀里,一個(gè)輸入或輸出分割成12個(gè)時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙為20位采樣分辨率.控制器把12.288MHz時(shí)鐘256分頻,產(chǎn)生一個(gè)SYNC信號(hào),此信號(hào)用于標(biāo)志一個(gè)輸入(輸出)幀的開始。

圖1　雙向AC-Link數(shù)據(jù)幀及時(shí)隙分配

        由圖1可知,每個(gè)輸入(輸出)幀除了有12個(gè)20位的數(shù)據(jù)/命令(數(shù)據(jù)/狀態(tài))復(fù)用時(shí)隙外,還有一個(gè)特殊的16位的幀首時(shí)隙,此時(shí)隙主要用來(lái)標(biāo)志此幀是否可用,如果此幀可用,那么此幀中對(duì)應(yīng)時(shí)隙中為有效數(shù)據(jù)。

        如圖2所示,PCM通過(guò)抽樣、量化、編碼三個(gè)步驟將連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼,PCM編碼是最高保真水平編碼,音質(zhì)好但體積大.AC-Link能夠傳輸48KHz固定取樣率的PCM信號(hào),字長(zhǎng)可以從16Bit到20Bit,其它取樣率的PCM信號(hào)必須先經(jīng)過(guò)SRC(Sample Rate Conversion,取樣率轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換成48KHz。

圖2　AC-Link音頻編解碼過(guò)程

        如果PCM信號(hào)的字長(zhǎng)低于DAC的,那么Controller會(huì)自動(dòng)將PCM信號(hào)進(jìn)行移位,使其MSB( Most Significant Bit,最高有效位)對(duì)齊,低位補(bǔ)0.如果PCM信號(hào)的字長(zhǎng)高于DAC的,那么必須先通過(guò)Dither(抖動(dòng))降低字長(zhǎng)后或者直接就經(jīng)過(guò)AC-Link接口傳輸?shù)紺odec,如果DAC字長(zhǎng)不夠AC-Link接口的高,那么它會(huì)自動(dòng)將AC-Link接口超過(guò)字字長(zhǎng)的LSBs(Least Significant Bit,最低有效位)去掉.DAC輸出的是階梯狀或者是脈沖狀信號(hào),還必須經(jīng)過(guò)LPF(Low Pass Filter,低通濾波器)濾波整形恢復(fù)為原來(lái)的音頻信號(hào)。

　　2　FPGA音頻編/解碼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        FPGA音頻編/解碼系統(tǒng)以ACEX1K和AD1881芯片為核心,如圖3所示。

圖3　FPGA音頻編/解碼系統(tǒng)圖

        ACEX1K-FPAG有147個(gè)用戶可用I/O,系統(tǒng)門數(shù)最多257000,邏輯門100000.內(nèi)部有4992個(gè)邏輯單元(LE),有12個(gè)嵌入式存儲(chǔ)塊(EAB),即49125位雙口RAM.使用EAB構(gòu)成的RAM、ROM、雙口RAM和FIFO等結(jié)構(gòu)可大大提高基于查找表(LUT)的算術(shù)運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理性能.在AC-Link音頻編解碼系統(tǒng)中,FPGA控制模塊根據(jù)后向控制流,為音頻編碼模塊提供多路幀同步信號(hào)。

        AD1881是A/D、D/A接口芯片,支持AC′97標(biāo)準(zhǔn)接口,實(shí)現(xiàn)全雙工16位立體聲的音頻編?解碼,采樣率7K～48KHz.系統(tǒng)復(fù)位完成FPGA 程序加載后,由FPGA的I2C總線模塊對(duì)AD1881初始化,初始化結(jié)束后等待采集命令.初始化成功后,AD1881實(shí)時(shí)處理模擬音頻信號(hào)。

        用FPGA實(shí)現(xiàn)AC-Link聲卡的D/A變換功能所需要的資源并不多,用一片ACEX1K100芯片做D/A轉(zhuǎn)換,只消耗了30%左右的資源,在具體應(yīng)用中,有時(shí)并不需要校驗(yàn)位及出錯(cuò)信號(hào),則占用系統(tǒng)資源更少。

　　3　AC-Link音頻編/解碼的VHDL設(shè)計(jì)

        FPGA中的AC音頻編/解碼設(shè)計(jì)是通過(guò)VHDL編程實(shí)現(xiàn)的.VHDL是一種應(yīng)用非常廣泛的硬件描述語(yǔ)言,它的語(yǔ)言覆蓋面廣,描述能力強(qiáng);可以描述最抽象的系統(tǒng)級(jí),也可以描述最精確的邏輯級(jí)、門級(jí). AC-Link系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)VHDL語(yǔ)言文件,包括幾個(gè)BLOCK語(yǔ)言.下面分別介紹各模塊實(shí)現(xiàn)的功能。

　　(1)sreg1.vhd,調(diào)用一個(gè)并行輸入、串行輸出的模塊,模塊的核心程序如下:
　　if(clk’event and clk=‘1’)then —時(shí)鐘下降沿
　　　if(s1=‘0’)then —S1并行輸入允許
　　　　tmpreg<=datain;
　　　else
　　　　for i in sreg_width-1 down to 1 loop —串行移位輸出
　　　　　tmpreg(i)<-tmpreg(i-1);
　　　　and loop;
　　　　tmpreg(0)<=se;

　　程序中,S1用來(lái)為sreg模塊作為并行輸入允許端.該信號(hào)在每個(gè)時(shí)隙的第一個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)出現(xiàn),在此時(shí),該時(shí)隙的數(shù)據(jù)被置入sreg模塊,然后該模塊開始串行移位輸出,以后的各個(gè)時(shí)隙也按此過(guò)程工作。

　　(2)調(diào)用并行輸入、串行輸出模塊,設(shè)計(jì)AC-Link.vhd.AC-Link的D/A轉(zhuǎn)換控制器向編碼器寫數(shù)據(jù),然后這些數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),最后經(jīng)功放輸出

　　程序中對(duì)時(shí)隙的分配是采用IF_THEN_ELSEIF_THEN_ELSE_ENDIF語(yǔ)句實(shí)現(xiàn),當(dāng)計(jì)數(shù)器小于16時(shí)是第0時(shí)隙,以后每隔20個(gè)計(jì)數(shù)為一個(gè)時(shí)隙.使用CASE語(yǔ)句在不同時(shí)隙,輸出賦以相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

　　對(duì)于AC-Link輸入幀,如果控制器想從編碼器讀取數(shù)據(jù)或狀態(tài),就在bit_clk的上升沿把SYNC置高,編碼器在bit_clk下降沿采樣到 SYNC變化,然后在上升沿開始發(fā)送數(shù)據(jù).控制器在每個(gè)bit_clk的下降沿采樣數(shù)據(jù),同時(shí)SYNC保持16個(gè)bit_clk周期的高電平。

　　對(duì)于AC-Link輸出幀,如果控制器要向編碼器輸出數(shù)據(jù)或命令時(shí),則在bit_clk的上升沿先把SYNC置高,然后在每一個(gè)bit_clk的上升沿發(fā)送一位數(shù)據(jù),SYNC與bit_clk的上升沿同步.編碼器在bit_clk的下降沿采樣到SYNC的變化,由此編碼器知道控制器要與它通信,在下一個(gè) bit_clk的下降沿編碼器開始采樣數(shù)據(jù),此后每一個(gè)bit_clk的下降沿采樣一位數(shù)據(jù).控制器發(fā)送數(shù)據(jù)是在bit_clk的上升沿,而編碼器采樣數(shù)據(jù)是在bit_clk的下降沿.同時(shí)SYNC也要保持16個(gè)bit_clk周期的高電平。

　　下列程序用于產(chǎn)生16個(gè)的bit_clk周期的高電平的SYNC信號(hào),SYNC是bit_clk的256分頻,有16個(gè)周期是高電平,其余時(shí)間是低電平。

　　if(conv_integer(counter)<16)then
　　　sync<=‘1’;
　　　counter:=counter+1;
　　else
　　　sync<=‘0’;
　　　counter:=counter+1;
　　endif;

　　進(jìn)行VHDL設(shè)計(jì)時(shí),最好各模塊單獨(dú)進(jìn)行并及時(shí)仿真驗(yàn)證,以便盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題.系統(tǒng)中其它模塊在此不再敘述.

                                                  圖4　AC-Link輸出仿真圖

        AC-Link接口的仿真圖如圖4所示,實(shí)現(xiàn)了其D/A轉(zhuǎn)換功能,仿真通過(guò)以后,可將程序下載到FPGA中實(shí)現(xiàn),同時(shí)直接與通令機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行調(diào)試,并利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行調(diào)試獲得成功,計(jì)算機(jī)的通信軟件可用VB或Delpi等可視化軟件來(lái)編制。

　　4　結(jié)論

        AC-Link音頻編/解碼系統(tǒng)的是在FPGA平臺(tái)上用VHDL設(shè)計(jì)的.AC-Link設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)建立VHDL行為模型和進(jìn)行 VHDL行為仿真,可及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的問(wèn)題,縮短設(shè)計(jì)周期,提高設(shè)計(jì)的可靠性和效率.實(shí)踐證明,仿真結(jié)果和FPGA實(shí)現(xiàn)符合AC-Link控制和編碼要求.