（信号与信息处理专业论文）基于fpga的通用数字化音频实验平台的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着信息技术革命和计算机技术的飞速发展，可编程逻辑技术已发展成一 门关键的科学技术，而f p g a 在工业界也已被广泛的应用。目前，f p g a 器件 向着新工艺、高密度、低电压、高速度等方向迅速发展，不仅已成为标准逻辑 器件的一个强有力的竞争对手，也在不断取代a s i c ( 专用集成电路) 。本文应用 f p g a 作为主控制芯片，对数字化音频实验平台进行了研究。主要内容包括： 在尽量减小干扰和p c b 板面积的基础上，给出了音频编解码芯片的外 围工作电路原理图、p c b 图，最后制成了p c b 板。 根据t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片数据手册寄存器使用部分的介绍，给出了要 输入的11 个寄存器的控制字，并且根据数据手册上的逻辑和时序要求， 给出了配置芯片数据的s p i ( 串行外围设备接口) 模块。通过时序仿真 验证，在逻辑上符合要实现的功能。 在逻辑上实现了t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片与f p g a 之间的m c b s p ( 多通道 缓冲串行接口) 数据传输模式。详细阐述了用于这种传输模式的每一 个模块需要实现的功能以及实现的方法，给出了各个模块的时序仿真 图和模块封装图。最后给出所有模块的顶层连接图，并通过了整体的 时序仿真验证。 以s p i 和m c b s p 两种接口方式为依托，设计了一个简单的f i r 滤波程 序，体现了f p g a 的并行处理能力。 应用n i o si i 内核建立f p g a 与t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 之间的数据通信和滤波 处理，给出了顶层内核和模块连接图。应用a p i ( 应用程序接口) 函数 访问硬件设备，以实现大容量数据的存储。 关键词：现场可编程门阵列；t l v 3 2 0 a i c 2 3 b ；串行外围设备接口；多通道缓 冲串行接口；f i r 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er e v o l u t i o no fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g y , p r o g r a m m a b l el o g i ct e c h n o l o g yh a sb e c o m eak e ys c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ，a n df p g ah a sa l s ob e e nw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a ls e c t o r c u r r e n t l y , f p g ad e v i c e sa r er a p i d l yd e v e l o p i n gt og ot o t h ed i r e c t i o n so fn e w t e c h n o l o g y , h i g hd e n s i t y , l o wv o l t a g e ，h i g hs p e e da n de t c f p g an o to n l yh a s b e c o m eap o w e r f u lc o m p e t i t o ro ft h es t a n d a r dl o g i cd e v i c e s ，b u ta l s oh a sr e p l a c i n g t h ea s i c t h i st h e s i sh a sb e e ns t u d i e di nt h ea p p l i c a t i o no ft h ed i g i t a la u d i o e x p e r i m e n tp l a t f o r mb yt h ef p g ac h i p s o nt h eb a s i so fm i n i m i z i n gi n t e r f e r e n c ea n dt h es p a c eo fp c bb o a r d t h e c i r c u i ts c h e m a t i c ，p c bd i a g r a mh a sb e e ng i v e n f i n a l l y ，t h ep c bb o a r d h a sb e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h ei n t r o d u c t i o no fr e g i s t e ru s ep a r ti nt l v 3 2 0 a i c 2 3 bd a t a m a n u a l ，11c o n t r o lw o r d so fr e g i s t e rh a s b e e ns h o w n a n da l s oa c c o r d i n g t ot h el o g i ca n dt i m i n gr e q u i r e m e n t si nd a t am a n u a l ，t h es p im o d u l ew h i c h i su s e dt od e p l o yt h ed a t a so ft l v 3 2 0 a i c 2 3 bc h i ph a s b e e nm a d e i m p l e m e n t e dd a t at r a n s f e rm o d eo fm c b s pb e t w e e nt h et l v 3 2 0 a i c 2 3 b a n df p g ai nl o g i c e a c hm o d u l eu s e dt oi m p l e m e n tt h i st r a n s f e rm o d e h a s b e e ne l a b o r a t e d ，w h i c hi n c l u d et h e i rf u n c t i o n sa n dt h ea c h i e v e m e t h o d s s i m u l a t i o nc h a r t sa n dm o d u l es y m b o ld i a g r a m so fe a c hm o d u l e h a sb e e ng i v e n f i n a l l y , t h et o p l e v e lc o n n e c t i o nd i a g r a mo fa l lm o d u l e s h a sb e e ns h o w na n dp a s s e dt h et i m i n gs i m u l a t i o n r e l y i n go nt ot h ei n t e r f a c em o d eo fs p ia n dm c b s p as i m p l ef i rf i l t e r h a sb e e nd e s i g n e dw h i c hg i v e na ne x p r e s s i o no ft h ep a r a l l e lp r o c e s s i n g c a p a b i l i t yo ff p g a e s t a b l i s h e dt h ed a t ac o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et l v 3 2 0 a i c 2 3 ba n d f p g ab yu s i n gt h en i o si ic o r e t o p - l e v e lc o n n e c t i o nd i a g r a mo fk e r n e l a n dm o d u l e sh a sb e e ns h o w n i no r d e rt or e a l i z et h el a r g ea m o u n t so fd a t a s t o r a g e ，a p if u n c t i o n st h e s ec a n a c c e s sh a r d w a r ed e v i c e sh a v eb e e nu s e d k e yw o r d s ：f p g a ；t l v 3 2 0 a i c 2 3 b ；s p i ；m c b s p ；f i r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义和现状分析 在过去的2 0 年中，数字音频处理技术已经取得了长足的进步。但是大多 数的“数字系统 并没有完全达到数字化，实际上大多部分音频系统的处理都 仍在模拟领域进行。在模拟音频技术中，对音频信号的处理手段和方法直接影 响到模拟音频系统的回放质量。随着计算机技术的发展，特别是海量存储设备 和大容量内存在p c 机上的实现，对音频信号进行数字化处理便成为可能。数 字技术的出现与应用给人类带来了深远的影响，人们如今已生活在一个几乎全 部信息数字化的世界中，而数字音频技术则称得上是应用最为广泛的数字技术 之一。 绝大多数音频信号数字处理系统有很高的实时性要求，要对输入的音频信 号做出快速的反应。因此，当系统工作在实时方式( 在线方式) 时，对系统所采 用的硬件的处理速度和存储容量等性能的要求就很高。目前，音频处理所要完 成的任务越来越复杂、对处理效果的要求越来越高，这就要求音频处理器件以 及其辅助器件在几十毫秒或更短的时间内处理、存储大量的音频数据。 数字信号处理手段有很多种，其中常用的方式有：专用集成电路( a s i c ) 、 数字信号处理器( d s p ) 和可编程逻辑器件( p l d ) 等。传统d s p 芯片是实时信号 处理的最佳答案。但是进入2 l 世纪后，f p g a 逐渐与d s p 并列成为系统的核 心。一方面，随着9 0 和6 5 纳米工艺的采用，f p g a 在成本、功耗和性能上大 幅改善，具备成为系统核心的条件；另一方面，为适应三网合一和融合时代的 来临，需要复杂和大量并行处理能力的芯片。这为具有强大并行处理能力的 f p g a 带来了需求。因此，研究开发以f p g a 为处理核心的音频实验系统就显 得尤为重要【5 j 。 1 2f p g a 技术的发展现状 1 2 1 器件工艺的发展方向 f p g a 最早由x i l i n x 公司推出，多为s r a m 架构或查表( l o o ku pt a b l e ) 架构，需外接配置用的e p r o m 下载。由于a l t e r a 的f l e x a c e x a p e x 系列 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 也是s r a m 架构，所以通常把a l t e r a 的f l e x a c e x a p e x 系列芯片也叫做 f p g a 。 2 0 世纪9 0 年代，f p g a 发展非常迅速，不仅具有电擦除特性，而且出现 了边缘扫描及在线编程等高级特性。另外，外围i o 模块扩大了在系统中的应 用范围和扩展性。 在制作工艺上，a l t e r a 和x i l i n x 都率先采用9 0 n m 和3 0 0 m m 制造技术。其 中，9 0 n m 指的是芯片上构成电路的刻蚀线的间距；3 0 0 m m 晶圆指的是用来生 产芯片的硅圆盘直径为3 0 0 m m ，晶圆表面越大，每晶圆可以生产的芯片越多。 所以，f p g a 器件发展体现如下： 1 工艺。现在新型的f p g a 采用6 层金属层、0 2 2 u r n 、0 18 u r n 、0 13 u r n 的c m o s 工艺，很快会达到0 0 9 u r n ； 2 高密度。超过4 0 0 万门的f p g a 器件面世； 3 系统。c p u 正向低电压方向发展，目前器件普遍采用2 5 v ，跟3 3 v 和 5 v 的电压兼容，下一步目标是1 8 v ； 4 高速度。系统的在线速度可以超过2 0 0 m h z 。 总之，f p g a 器件朝着更高速、更高集成度、更强功能和更灵活的方向发 展，它不仅已成为标准逻辑器件的一个强有力的竞争对手，而且已成为掩膜式 专用集成电路的竞争者，同时也不断取代a s i c ( 专用集成电路) 。 1 2 2 开发软件和工具的发展方向 随着f p g a 设计越来越复杂，使用语言设计复杂的f p g a 成为一种趋势， 目前最主要的硬件描述语言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。v h d l 发展得较早，语 法严格，而v e r i l o gh d l 是在c 语言的基础上发展起来的一种硬件描述语言， 语法较自由。v h d l 和v e r i l o gh d l 两者相比，学习v h d l 比学习v e r i l o gh d l 难一些，但v e r i l o gh d l 自由的语法使得初学者容易上手。 从e d a 技术的发展趋势上看，直接采用c 语言设计f p g a 将是一个发展 方向，现在已出现用于f p g a 设计的c 语言编译软件，在5 至l0 年之内c 语 言很可能将逐渐成为继v h d l 和v e r i l o gh d l 之后设计大规模f p g a 的又一手 段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3s o p c 的基本概念 1 3 1s o c 随着i c 设计技术与工艺水平的发展，集成电路的集成度越来越高，规模 越来越大，在2 0 世纪9 0 年代末，达到了可以将整个系统集成在一个芯片上的 水平，高性能产品的要求和微电子技术的发展使s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 技术 成为主流的设计技术。s o c 称为片上系统，是指将一个完整产品的功能集成在 一个芯片上或芯片组上。s o c 从系统的整体角度出发，以i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 核为基础，以硬件描述语言作为系统功能和结构的描述手段，借助 于以计算机为平台的e d a 工具进行开发。由于s o c 设计能够综合、全盘考虑 整个系统的情况，因而可以实现更高的系统性能。s o c 的出现是电子系统设计 领域内的一场革命，其影响将是深远和广泛的。s o c 是专用集成电路系统，其 设计周期长、成本高，s o c 的设计技术难以被中小企业、研究院所和大专院校 采用。 1 3 2s o p c s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 是a l t e r a 公司 提出来的一种灵活、高效的s o c 解决方案。它将处理器、存储器( r o m 、r a m 等) 、总线和总线控制器、i o 口、d s p 、锁相环等集成到一片f p g a 中。它具 有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程功 能。由于市场上有丰富的i pc o r e 可供选择，用户可以快速的构成各种不同的 系统，有些可编程器件内还包含有部分可编程模拟电路。以上的特点使得s o p c 的设计周期短、成本低 2 】。 1 4 本文总体结构设计及研究内容 本平台设计的工作流程是：麦克风将人的语音信号转化为模拟信号，在 f p g a 的控制下经过音频芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的模数转换，模拟音频信号转换 成数字信号输入到f p g a 的i 0 口。f p g a 对接收来的数据进行相应的处理， 处理完的数据送到内部存储器或通过i o 口送到外部s d r a m 存储器中。如果 想要听到已经存储的声音，那么f p g a 会把数据从内部存储器或外部s d r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 中调回，再通过i o 口把数据返回给t l v 3 2 0 a i c 2 3 b ，那么从t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的外接耳机中就能收听到存储的声音了。流程总体框图如图1 1 所示。 l 麦克风耳机 t上 语音芯片 t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 存储器( 内外) t上t上 i f p g a ( e p 2 c s ) 一，n g | 图1 1 音频实验平台的总体结构框图 1 4 1 掌握f p g a 常用开发工具 f p g a 开发工具较多，其中硬件开发工具q u a r t u si i 是a l t e r a 公司的综合 性p l d 开发软件，支持原理图、v h d l 、v e r i l o gh d l 以及a h d l ( a l t e r a h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及 仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整p l d 设计流程。它提供完整 的多平台设计环境，能够直接满足特定设计需要，为可编程片上系统( s o p c ) 提供全面的设计环境。 n i o si i 系列软核处理器是a l t e r a 的第二代f p g a 嵌入式处理器，其性 能超过2 0 0 d m i p s ，在a l t e r af p g a 中实现仅需3 5 美分。a l t e r a 的s t r a t i x 、 s t r a t i xg x 、s t r a t i xi i 和c y c l o n e 系列f p g a 全面支持n i o si i 处理器，以后 推出的f p g a 器件也将支持n i o si i 。n i o si i 处理器具有完善的软件开发套 件，包括编译器、集成开发环境( i d e ) 、j t a g 调试器、实时操作系统( r t o s ) 和t c p i p 协议栈。设计者能够用a l t e r aq u a r t u si i 开发软件中的s o p c b u i l d e r 系统开发工具很容易地创建专用的处理器系统，并能够根据系统的 需求添加n i o si i 处理器核的数量。n i o si i 软件开发工具能够为n i o si i 系统 构建软件，即一键式自动生成适用于系统硬件的专用c c + + 运行环境。n i o si i 集成开发环境( i d e ) 提供了许多软件模板，简化了项目设置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 4 2 制作音频采集电路板 p r o t e ld x p 是种e d a ( e 1 e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，电子设计自动化) 设计软件，主要用于电路设计、电路仿真和制作印刷电路板( p c b ) 。p r o t e ld x p 中引入了集成库的概念，它附带了6 8 0 0 0 多个元件的设计库，这使得在原理图 中选择的元件就已经有了需要的封装，如果不满意这些封装还可以在p c b 库 编辑器制作设计所需要的封装 14 1 。 1 4 3 用f p g a 对音频编解码芯片( t l v 3 2 0 a 10 2 3 b ) 进行控制 1 数据配置部分 通过音频编解码芯片的控制接口，f p g a 向音频编解码芯片的控制寄存器 写控制字，设置芯片的工作模式。t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片有两种控制接口类型： 三线模式的s p i 接口和两线模式的1 2 c 接口模式。从系统配置速度的角度考虑， 控制接口选用s p i 接口。 2 数据通信 通过t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片的通信接口和f p g a 的i o 口，进行数据的双向 传输。t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片支持四种模式：左对齐( l e f tj u s t i f i e d ) 、右对齐( r i g h t j u s t i f i e d ) 、i 2 s 模式和d s p 模式。从系统传输速度的设计角度考虑，数据通信 选用d s p 模式。 1 4 4 对采集数据的flr 滤波处理 用f p g a 芯片来完成采集信号的f i r 数字滤波。滤波可以从信号里清除噪 声或静电干扰，从而改善其信噪比。这样，f p g a 既要实现对音频芯片的控制， 又要实现对音频信号的处理。 1 4 5 进行仿真和调试 采用v e r i l o g 仿真软件对其进行仿真可以节省时间，可以在设计的早期阶 段检测到设计中的错误，从而进行修正，以便尽可能地减少对设计日程计划的 影响。q u a r t u si i 具有强大的仿真能力，分别包括功能仿真( 前仿真) 和时序仿真 ( 后仿真) 。还可以将b y t e b l a s t e r l i 下载线或u s b 下载线接到f p g a 核心板的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 j t a g 口，接上电源，对程序进行调试。 1 5 本文结构 本文共分五章，按以下方式组织： 第l 章绪论，介绍了基于f p g a 的通用数字化音频实验平台的研究现状 与本文的研究意义，简略说明了所要用到的基本概念，重点介绍了本文研究内 容，最后说明了论文结构。 第2 章简单介绍了音频处理系统的结构及工作流程，从系统整体的角度 对音频系统进行分析，给出系统的结构划分关系。然后，根据系统特点，结合 各个模块的设计需求，选择相应的处理器芯片和音频编解码芯片。 第3 章主要介绍了本设计所要用到的硬件电路板。给出以t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片为主的音频采集电路的原理图、p c b 图和实物图，还介绍了用到的f p g a 开发板，为软件的实现打下基础。 第4 章简要介绍了f p g a 系统的设计流程，详细介绍了如何应用v e r i l o g h d l 硬件描述语言编写s p i 和d s p 接口时序。阐述了各个模块要实现的功能 和采用的方法，给出顶层模块连接图，并用时序仿真测试了接口的效果。最后， 以s p i 和d s p 接口为依托，设计了一个f i r 程序，给出了时序仿真结果。 第5 章介绍了用带n i o si i 内核的s o p c 系统构建本设计的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章音频系统的组成和相关芯片介绍 2 1 音频处理系统结构分析 本节给出系统的结构划分，并给出划分单元的性能指标、简单接口介绍和 处理能力介绍等内容。通过对整个数字化音频实验系统结构的预估，得出数字 化音频实验系统功能框图，如图2 1 所示： ： l 音频输入li - i 信号增益l- l 模数转换l接收模块l _ 处 理 模 块 l 音频输出信号增益数模转换 发送模块l 一 图2 1 数字化音频实验系统功能框图 图2 1 中，数字化音频实验系统主要包括模拟音频信号采集部分、模数转 换部分、接收部分、数字音频信号处理部分、发送部分、数模转换以及模拟音 频信号输出部分。其中模拟音频信号采集、模数转换、数模转换和模拟音频信 号回放部分的功能可以由音频编解码芯片完成；接收部分、数字音频信号处理 和发送部分的功能由处理器完成。音频输入输出方式有：线路输入、输出 ( l i n e l n l i n e o u t ) ；麦克风输入、耳机输出( m i c i n h e a d p h o n e o u t ) 。 2 2 处理器芯片选择 m c u 、d s p 和f p g a 三种处理器在现代嵌入式系统应用中三足鼎立，它 们各自具有独特的优势但在某方面又略显不足。以5 1 系列单片机和a r m 微处 理器为代表的m c u 家族因丰富的软件系统支持在控制和处理人机接口领域占 据绝对的领先地位，然而在海量数据处理方面却被d s p 占尽了风头。f p g a 在 高速复杂逻辑处理方面独占风骚，最近更是异军突起，凭借其超大规模的单芯 片容量和硬件电路的高速并行运算能力，在信号处理方面也显示出突出的优 势。 目前，在大容量f p g a 中可以嵌入16 位或3 2 位以上的m c u 。如a l t e r a 公司的f p g a 可以嵌入一个或多个软核c p u ( n i o s 或n i o s l i ) ，或预嵌入a r m 等微处理器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 d s p 对海量数据快速处理的优异性能主要在于它的流水线计算技术，只有 规律的加减乘除等运算才容易实现流水线的计算方式。然而，这种运算方式也 较容易用f p g a 的硬件门电路来实现。f p g a 是天生的并行处理结构，能完成 并行处理数据量大、重复性强、速度要求高的数字信号。 本文要设计数字音频系统的实验平台，所以从处理能力、可扩展性、设计 灵活性和单位处理能力所需成本等方面综合考虑，f p g a 是最理想的选择【5 】。 2 3f p g a 体系结构 f p g a 采用了逻辑单元阵列( l o g i cc e l la r r a y ，l c a ) 这样一个新概念， 内部包括可配置逻辑模块( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ，c l b ) 、输入输出模块 ( i n p u to u t p u tb l o c k ，i o b ) 和互连资源( i n t e r c o n n e c tr e s o u r c e ) 三个部分。 1 c l b 是f p g a 的主要组成部分。它主要由逻辑函数发生器、触发器、数 据选择器等电路组成。 2 i o b 提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。它主要由输入触发器、 输入缓冲器和输出触发锁存器、输出缓冲器组成。每个i o b 控制一个引脚， 它们可被配置为输入、输出或双向i o 功能。 3 可编程互联资源( i r ) 可以将f p g a 内部的c l b 和c l b 之间、c l b 和 l o b 之间连接起来，构成各种具有复杂功能的系统。i r 主要由许多金属线段构 成，这些金属线段带有可编程开关，通过自动布线实现各种电路的连接。 c l b 、i o b 、i r 是x i l i n xf p g a 的内部基本结构，分别对应a l t e r af p g a 的l a b 、i o e 、快速互联通道。a l t e r a 的f p g a 内部结构如图2 2 所示： 图2 - 2a l t e r af p g a 内部结构图【3 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 c y e io n e 和c y eio n ei i 系列器件介绍 2 4 1 c y c lo n e 系列器件 c y c l o n e 是a l t e r a 公司的第一代现场可编程门阵列系列器件，于2 0 0 2 年1 2 月份推出。c y c l o n e 系列器件基于1 5 v 、0 1 3 u m 及全铜s r a m 工艺，c y c l o n e 系列f p g a 容量为2 9 1 0 - 2 0 0 6 0 个逻辑单元( l e ) ，拥有2 8 8 k b 的r a m 。c y c l o n e 系列f p g a 的最大特点是低成本，c y c l o n e 系列f p g a 是成本敏感大批量应用 的最佳方案。如果需要进一步系统集成，可以考虑密度更高的c y c l o n ei if p g a 和c y c l o n ei i if p g a 。这些c y c l o n e 新系列巩固了a l t e r a 在大批量、低成本应 用方案中的领先优势。 c y c l o n ef p g a 是目前a s i c 应用的低成本替代方案。采用本系列的可编程 解决方案，在用户大批量应用的情况下，目前价格与a s i c 相比相当。c y c l o n e 系列f p g a 的价格和功能满足了市场对创新的需求，通过产品迅速面市来确定 领先优势。消费类、通信、计算机外设、工业和汽车等低成本大批量应用市场 都可以使用。 c y c l o n ef p g a 综合考虑了逻辑、存储器、锁相环( p l l ) 和高级i o 接口， 它具有以下特点： 1 新的可编程体系结构，实现低成本设计。 2 嵌入式存储器资源支持多种存储器应用和数字信号处理( d s p ) 实现。 3 专用外部存储器接口电路，支持与d d rf c r a m 和s d r a m 器件以及 s d rs d r a m 存储器的连接。 4 支持串行总线和网络接口以及多种通信协议。 5 片内和片外系统时序管理使用嵌入式p l l 。 6 支持单端i o 标准和差分i o 技术，l v d s 信号数据速率高达6 4 0 m b p s 。 7 处理功耗支持n i o si i 系列嵌入式处理器。 8 采用新的串行配置器件的低成本配置方案。 9 q u a r t u si i 软件o p e n c o r e 评估特性支持免费的i p 功能评估。 1 0 q u a r t u si i 网络版软件的免费支持。 2 4 2c y eioneii 系列器件 c y c l o n ei i 是a l t e r a 公司在第一代c y c l o n e 系列的基础上开发的第二代 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 f p g a 系列器件，采用了全铜层9 0 n m 低k 绝缘1 2 vs r a m 工艺设计。c y c l o n e i i 具有很高的性能和极低的功耗，而价格和a s i c 相当。它的应用领域和 c y c l o n e 系列相似，是针对成本敏感的应用的大批量产品的解决方案。 c y c l o n ei i 为在f p g a 上实现低成本的数字信号处理( d s p ) 系统提供了一 个理想的平台，用户可以单独使用c y c l o n ei i 或者将其作为数字信号处理协处 理器使用。c y c l o n ei i 器件含有经过优化的多种d s p 特性，由a l t e r a 全面的 d s p 流程提供支持。 c y c l o n ei i 器件的容量为4 6 0 8 6 8 4 16 个逻辑单元( l e ) ，提供了嵌入式 1 8 木1 8 位乘法器、专用外部存储器接口电路( 最高速率可达6 6 8 m b p s ) 、4 k b 嵌入式存储器块、最多为4 个的增强型锁相环等。c y c l o n ei i 系列片内资源见 表2 1 所示： 表2 1c y c l o n ei i 系列片内资源【2 】 特性 e p 2 c 5e p 2 c 8e p 2 c 2 0e p 2 c 3 5e p 2 c 5 0e p 2 c 7 0 逻辑单元( l e s ) 4 6 0 88 2 5 618 7 5 23 3 2 1 6 5 0 5 2 86 8 4 1 6 m 4 kr a m 块( 1 2 8 * 3 6b )2 6 3 65 21 0 51 2 92 5 0 r a m 总量1 1 9 8 0 81 6 5 8 8 82 3 9 6 1 64 8 3 8 4 05 9 4 4 3 21 1 5 2 0 0 0 嵌入式乘法器( 1 8 幸1 8 )1 3l82 63 58 61 5 0 锁相环( p l l s )12222 最大可用管脚数1 0 413 91 8 52 4 93 0 l 在综合考虑价格、内部逻辑资源以及i o 数量，选择c y c l o n ei i 系列的 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 来进行系统的设计。由于f p g a 是基于s r a m 工艺的，芯片被 配置后可以正常工作，但是内部数据掉电即失，因此需要在f p g a 芯片每次上 电工作之前重新进行配置，而此工作可以由相应的配置芯片完成。 e p 2 c 8 q 2 0 8 c 8 的配置芯片是e p c s 4 。 2 5 音频芯片选型 2 5 1 过采样d a c ( 数模转换) 过采样是使用远大于奈奎斯特采样频率的频率对输入信号进行采样。过采 样d a c 也称作一数模转换器，其基本思想就是采用反馈系统来整形低比 特量化器的噪声，从而以高的过采样率换取高精度。一a ( s i g m a d e l t a ) 转 换器的优势在于它把大部分转换过程转移到了数字域，以数字电路的复杂性降 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 低了对模拟转换电路的要求。大部分电路可采用标准的数字c m o s 工艺实现， 模拟元件则采用低位数和易于制造的单元来构建。从而克服了器件的精度和非 线性在制造上引起的限制，所以一数模转换器在精度与实现上都比传统数 据转换器有优势1 1 1 。 2 5 2 音频芯片遴选 本系统从便携性、高性能和低功耗等方面综合考虑选用德州仪器公司推出 的一款高性能立体声音频编解码芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 。因为这款芯片采用低功 耗设计，录放模式下功率消耗小于2 3 m w ；并且它具有t i 特有的m i c r o s t a r j u n i o r t m 封装方式，占用的p c b 面积最小仅为2 5 m m 2 。另外，这款芯片的a d c 与d a c 采用多比特的一技术，并且内部集成高采样率的数字内插滤波器， 传输字长可以是l6 、2 0 、2 4 、3 2 b i t s ，支持8 k 9 6 k h z 的采样率。a d c 的信噪 比可达9 0 d b ，d a c 的信噪比可达10 0 d b ，从而可在小型低功耗设计中实现高 保真录放音，因此，t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 是本系统的理想选择。 t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的具体特点如下： 1 、高性能立体声编解码器。 最高可达9 0 d b 的多位一模数转换信噪比( s n r ) ； 最高可达10 0 d b 的多位一数模转换信噪比( s n r ) ； 1 4 2 v - 3 6 v 内核数字电源：兼容t ic 5 4 xd s p 核心电压； 2 7v - 3 6v 缓冲和模拟电源：兼容了t ic 5 4 xd s p 两个缓冲电压； 提供8 k h z 9 6 k h z 的采样频率。 2 、与t im c b s p ( 多通道缓冲串行接口) 兼容的多协议串行端口的软件控 制。 两线和三线( s p i ) 串行端口协议； 与t im c b s p s 无缝连接。 3 、通过t im c b s p 可编程数字接口实现音频数据输入输出。 1 2 s 接口的模数数模转换只需要一组m c b s p ； 标准的1 2 s 、最高位( m s b ) 、最低位( l s b ) 数据对齐传输方式； 字长可选1 6 2 0 2 4 3 2 比特； 音频主从定时能力优化的t id s p s ( 2 5 0 2 7 2f s ) 、u s b 模式； 同时支持工业标准的主从正常模式( 2 5 6 3 8 4 f s ) ： 与t im c b s p s 无缝连接。 4 、集成完整的驻极体m i c 偏压和缓冲器解决方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 偏置驻极体在3 4 a v d d 处的低噪声m i c b i a s 管脚； 1 到5 倍增益可调的集成缓冲放大器； 附加控制寄存器可选缓冲器增益为0 d b 到2 0 d b 。 5 、立体声线路输入。 集成的可编程增益放大器； 模拟旁路编解码器。 6 、立体声线路和麦克风的模数转换复用输入。 7 、立体声线路输出。 数模转换和模拟旁路的模拟立体声混频器。 8 、带有输入输出混音的音量控制。 9 、高效线性耳机放大器。 3 3 v 模拟电源电压，3 2 0 电阻，功率为3 0 m w 。 1 0 、所有软件控制下的灵活的电源管理。 回放模式下2 3 m w 功耗； 待机功耗小于1 5 0 u w ； 掉电功耗小于15 u w 。 1 1 、业内最小封装：3 2 引脚t i 专有m i c r o s t a rj u n i o r t m 。 总面积只有2 5 m m 2 ； 2 8 脚t s s o p 封装的芯片面积只有6 2 m m 2 ； 1 2 、理想适用于便携式音频播放器和录音机。 基于以上t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的优点和特性，本系统选择它作为音频模拟与数 字信号之间转换的桥梁。但是在基于f p g a 与t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的数字音频处理 系统中，由于t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 和f p g a 之间没有现成可用的固定接口，因而接 口部分是系统设计和实现过程中要解决的问题之一。 最后附上t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的终端引脚分配图如图2 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 毒v d o 气c o i j 。 8 0 l k d n l r 。i n c ，0 u l r u hpvod l 巾o u r 伸o u h p g n o l o u 兔0 u 棚帕o l r c l n 0 0 嚏j t u i o e l u t 1 l 巩 d d u 书u t r 押o u t p o n o g 睢足菇c u 矗t 憎m i 考il 萎l 耋霎笙 葛2 趋芷2 2 0 憎1 e 仃 oooo o oooo 麓oooo ooooo 埔 2 oo ooo oo oo 1 5 麓oo oo o oooo ，t 警ooooooooo 1 j = 1 0oo do o oooo 1 2 3 1o ooo oo 1 蟹ooo oooo o 1 。 o o o oooo o o 12，5e7暑0 哪 c k 启t i t v e 期 o2 墨 22 7 32 墨 2 5 52 e2 3 72 2 a2 92 c 1 01 0 e 1 2 1 7 1 3 t 1 5 2 6 本章小结 d o n d d 、7 d d x r 0 0 1r c l j c s o l k sd l n 0 0 。s u j 匹i n r l | n e i n 啪。i i c 鲁l s 、，”j d a o lll | 图2 - 3t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 终端引脚分配图【1 9 】 戤x s 铷 ” 0 0 一蝴 蚺辩 c 辩 本章简略介绍了音频处理系统的结构，将系统划分为音频采集转换部分和 处理器部分。并对两部分的主要芯片进行了选择和介绍 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章音频处理系统硬件设计 3 1 音频接口模块的硬件总体设计 本音频实验系统主要由以下几部分构成：电源部分、音频编解码器部分、 f p g a 部分。其中控制字的发送、数据的收发和存储要通过f p g a 芯片来运行。 而数据采集和回放则由音频编解码器部分运行。系统硬件平台结构如图3 1 所 示： 图3 1 系统硬件平台 图3 1 中，音频输入、输出都是模拟信号，通过t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片实现 模拟信号与数字信号之间的转换。f p g a 通过配置接口配置t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯 片，使之工作在需要的模式下。t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片与f p g a 之间通过数据传 输接口实现音频数字化后的数据双向收发。 3 2 音频编解码器的内部结构和管脚 上一章介绍了t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 是一款高性能编解码器，内部集成强大的 模拟电路部分。它的内部结构图如图3 2 所示。其中m c l k 、b c l k 和s c l k 这三个时钟彼此异步。 本文采用了2 8 脚t s s o pp w 封装的t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 芯片，下面对它的管 脚进行介绍： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 1 脚：b v d d ，缓冲器电压输入。电压范围是2 7 v 3 6 v 。 2 脚：c l k o u t ，时钟输出。在采样率控制寄存器的0 7 b i t 控制频率的选 择。 、 3 脚：b c l k ，1 2 s 串行比特位时钟。在音频主控模式下t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 产 生此信号，并把它传送到d s p ；在从模式下该信号由d s p 产生。 4 脚：d i n ，输入到一立体声d a c 的1 2 s 格式串行数据。 图3 2t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 内部结构图1 9 1 5 脚：l r c i n ，1 2 sd a c 的字时钟信号。在主模式下，t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 产 生这个帧同步信号并把它传送到d s p ；在从模式下该信号由d s p 产生。 6 脚：d o u t ，从一立体声a d c 输出的1 2 s 格式串行数据。 7 脚：l r c o u t ，1 2 sa d c 的字时钟信号。在主模式下，t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 产 生这个帧同步信号并把它传送到d s p ；在从模式下该信号由d s p 产生。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 8