（信号与信息处理专业论文）基于以太网的音频传输单元的设计及实现.pdf

摘要 摘要 本课题中研究和实现了基于以太网技术的音频传输单元，基于以太网技术的 音频传输单元的功能是利用廉价普及的以太网实时传输多路高质量音频信号。该 设备可以通过一根普通5 类线实时传输多达1 6 路2 4 b i t 、4 8 k h z 未压缩音频信号， 并允许音频数据与标准以太网数据包共存。网络音频信号的输入输出可以自由选 择、切换和路由，具有相当大的灵活性和高性价比，克服了复杂的音频工程方面 模拟系统的局限性，简化了网络设计、安装和设备的管理，满足了专业音频传输、 分配系统数字化、网络化需求。 传统的音频系统中，音频轨道都要与一条音频电缆相连；多房间、长距离安 装复杂；音频内容的管理和监控都需要附加硬件设备和电缆；音频路由需要人工 接线或昂贵的音频传输单元，系统的重新配置也是复杂而耗时的过程。基于以太 网技术的音频传输单元可以利用5 类线同时传输音频和控制数据；音频设备可以 通过以太网独立监控；音频数据可以传输到单个或多个目的地；音频路由可以通 过更改地址信息轻易地完成， 本文的重点是介绍基于以太网技术的音频传输单元中f p g a 模块逻辑设计和 实现，以及a e s 数字音频i 0 模块原理图及p c b 设计和实现。项目中采用x i l i n x 公司集成开发环境i s e 4 2 作为开发工具，进行了h d l 代码编写、功能仿真、综合、 布局布线及可编成b i t 文件生成等。最后，将可编程b i t 文件转换为第三方支持 m c s 文件格式。f p g a 模块实现功能：音频选路、正弦波产生、a d c 定标控制、 l e d 显示控制等。同时，利用单片机实现了f p g a 配置程序加载。本文还对系统 进行了测试，包括a e s 数字j o 模块调试、f p g a 逻辑功能调试及系统联调。通 过测试，基于以太网技术的音频传输单元完全达到了设计要求。基于以太网技术 的音频传输单元完全符合a e s e b u 硬件规范，满足专业音频传输、路由需求。 最后，本文还重点介绍了以太网控制器的f p g a 设计与实现。首先介绍了以 太网的基本原理，然后介绍了以太网控制器程序的主要结构和主要功能模块的实 现，并对以太网控制器的功能进行了验证。验证结果表明，利用f p g a 实现的以太 网控制器满足设计要求。 本人在项目中完成的主要工作： 与项目组成员合作完成系统方案设计及f p g a 器件选型工作 摘要 f p g a 程序( r t l ，t e s t b e n c h ) 编写 同步f i f o 设计与实现 f p g a 配置的m c u 实现 以太网控制器f p g a 程序的顶层架构设计及各个模块实现 a e s 数字i o 模块原理图及p c b 设计 系统调试及产品实现 关键词以太网，传输单元，现场可编程门阵列，数字音频，硬件描述语言， 单片机 a b s t r a c t a i b s t r a c t t h j ss u b j e c ti sm a i n l yt oi n t r o d u c et h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fa na u d i o u n i tb a s e do ne t h e r n e t u pt o1 6c h a n n e l s a u d i oc a nb et r a n s m i t t e di nr e a l - t i m et h r o u g h t h i su n i t ，u n c o m p r e s s e da u d i oi sw i t h2 4b i t7 sr e s o l u t i o na n di t ss a m p l ef r e q u e n c yi s4 8 k h zi no n ec a r 5c a b l e a u d i o d a t a c a nc o e x i s tw i t hs t a n d a r de t h e r n e t p a c k a g e s b e s i d e s ，n e t w o r ka u d i oc a nb ef r e e l ys e l e c t e d 、s w i t h e da n dr o u t e do v e rt h e n e t w o r k b e c a u s eo fi t sh u g ef l e x i b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c e ，t h i sa u d i ou n i to v e r c o m e s t h e s h o r t c o m i n g so fa n a l o ga u d i on e t w o r ks u c ha sc o m p l e xa u d i oi n s t a l l a t i o n ，a n d s i m p l i f i e sa u d i on e t w o r kd e s i g n ，i n s t a l l a t i o na n dm a n a g e m e n to fd e v i c e s ，w h i c hm e e t s t h er e q u i r e m e n t so fp r o f e s s i o n a la u d i o sd i g i t a lt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o nt h r o u g h n e t w o r k i nt h ep a s t sa u d i os y s t e mt h e r e r es o m es h o r t c o m i n g s f i r s t l y , a u d i oc h a n n e li s c o n n e c t e dw i t ha na u d i oc a b l e ；s e c o n d l y , t h ei n s t a l l a t i o ni nm u l t i r o o mo rl o n gd i s t a n c e e n v i r o n m e n ti s c o m p l e x ；t h i r d l y , e x t r a h a r d w a r e sa n dc a b l e sa r en e e d e di nt h e m a n a g e m e n ta n dm o n i t o r i n go fa u d i od a t a ；l a s t l y , a u d i or o u t i n gi sm a n u a l l yo p e r a t e do r b ye x p e n s i v ea u d i or o u t e r s ，a l s o ，a u d i os y s t e m sr e c o n f i g u r a t i o ni sc o m p l i c a t e da n d t i m e c o n s u m i n g i nc o m p a r i s o nw i t ht h ep a s t sa u d i os y s t e m ，a u d i oa n dc o n t r o ld a t ac a n c o e x i s ti nc a t - 5c a b l et h r o u g ht h i sa u d i ou n i t ；t h ea u d i ou n i t sc a nb es e p a r a t e d l y m o n i t o r e do v e re t h e m e t ；a n da u d i oc a nb et r a n s m i t t e dt oo n ep l a c eo r m a n y p l a c e s ；a u d i or o u t i n gc a n b ee a s i l yf i n i s h e db y m o d i f y i n ga d d r e s s e s t w op a n sa r ei n c l u d e di nt h et h e s i s ：t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ff p g a m o d u l ea n da e sd i g i t a la u d i oi om o d u l e x i l i n xc o r p o r a t i o n si s e 4 2i su s e da s d e v e l o p m e n tp l a t f o r mt oc a r r yo nf p g ad e s i g n ，i n c l u d i n gh d lc o d i n g ，f u n c t i o n a l s i m u l a t i o n ，l o g i cs y n t h e s i s ，p l a c e & r o u t ea n dg e n e r a t i o no fp r o g r a m m i n gf i l e s f p g ai s u s e dt oi m p l e m e n ta u d i os e l e c t ，s i n ew a v e ，a d c sc a l i b r a t i o na n dl e de t c , ，a l s o ，t h e c o n f i g u r a t i o np r o g r a mi sd o w n l o a d e di n t of p g ac h i p s e tb ym c u e v e n t u a l l y , t h eu n i ti s t e s t e da n dt h er e q u i r e m e n t so fd e s i g ni sm e tp r o p e r l y a l s o ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm a ci s d e m o n s t r a t e dw i t h e m p h a s i s ，i n c l u d i n g t h e p r i n c i p l e a n dm a i na r c h i t e c t u r eo f m a c b e s i d e s ，m o s t 丌t a b s t a c t s u b m o d u l e sa r ei n t r o d u c e d t h ev e r i f i c a t i o no fm a cs h o w st h a tm a cm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s a sf o l l o w e di sm y m a j o r w o r k ： t h es y s t e m sa r c h i t e c t u r ed e s i g na n ds e l e c t i o no ff p g ac h i p s e t f p g a ( r t l ，t e s t b e n c h ) c o d i n g s y n c h r o n o u sf i f od e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n c o n f i g u r a t i o no ff p g ac h i p s e tw i t hm c u t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft o p - l e v e lm o d u l ea n ds u b m o d u l eo fm a c t h ed e s i g no f a e sy om o d u l e t h et e s ta n di m p l e m e n t a t i o no ft h i sd e v i c e k e y w o r d se t h e r n e t ，r o u t e r , f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y s ，d i g i t a la u d i o h a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，m c u i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：丞盘至 日期：私劬年1 1 月z 亨日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：珠芡承导师签名：鸟测诤 1 日期：珊年胡圻日 第一章绪论 第一章绪论 数字音频正在经历基因突变式的变化。半导体设计和数字信号处理器的最新 技术发展相结合降低了成本，加快了新型数字音频产品的上市时间。这两种技术 的结合不仅降低了现有网络数字音频产品的成本，而且创造了把数字处理和网络 数字音频结合在一起的可通过网络进行控制和管理的新一代产品。 随着越来越多数字音频系统终端设备的出现与应用，音频系统中发生了毋庸 置疑的数字化革命。模拟信号与数字信号之间的相互转换不仅增加不必要的成本， 而且导致音频信号质量的下降，音频数据的数字化传输和分配已经成为必然。 数字传输音频信号与模拟传输音频信号相比有着显著的优势：一方面数字信 号抗干扰能力强；另一方面数字信号可以多路复用，实现同一物理线路传输多路 离散音频数据。本文要介绍基于以太网的音频传输单元给出了与传统音频配送方 案不同的音频传输方案。 1 1 音频传输、路由的现状【1 我国的专业音频传输、分配领域在国际上还处于发展阶段，国内使用c o b r a n e t 技术搭建大规模音频传输及控制系统的工程还是风毛麟角。 目前的音频传输、分配现状： 音频信号按照专用的路径运行，每一个音频轨道都要与一条音频电缆相 连。 在多房间和睦距离的安装过程中，音频设备往往需要通过矩阵交换、分布 式放大器和接线板连接在一起。 音频内容的管理、监控以及系统设备的控制需要附加硬件设备和电缆。 系统的重新配置是一个复杂而耗时的过程。系统安装完成后出现任何问 题，往往需要繁复的检查和重新连接电缆。 因此，音频传输、分配系统的数字化、网络化改造已是必然趋势，以适应专 业音频领域业的要求。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 音频传输、路由的发展趋势l ，2 目前，国际数十家一流音频传输、分配公司的设备支持音频数据的网络化传 输，其中包括p e a v e y 、q s c 、h a m m a n 、b i a m p 、r h 等。在高速发展的计算机网 络平台找到一种实时的、稳定的专业音频数据传输方法，是未来专业音频领域发 展的重要方向。 当今，网络技术已经深入专业音频传输、分配领域。利用网络技术传输音频 信号有众多的优点： 一根电缆可传输多路音频信号。 系统组织非常灵活。 系统的冗余安全性和容错方案容易实现。 可随时对音频信号的分配进行动态调整。 可实时监控系统中任意音频信号的状态。 利用网络技术传输音频信号，一根5 类双绞线或者一根光纤可以替代传统音 频系统中无数根音频线缆，并且在5 类双绞线中可以增加遥控和监控信号。采用 数字音频网络技术的系统比传统音频系统会减少大量的线缆铺设工作，线槽的尺 寸也变得更小，人工和日后的维护工作也将大大减小。 因此，利用网络技术实时传输多路高质量音频数据是专业音频传输、分配领 域的发展必然趋势。 目前有很多网络技术可供选用，以太网是最为稳定和广泛使用的协议。 c o b r a n e t 协议建立在标准以太网硬件和底层协议基础上，不需要特别的或有技术专 利的产品来构建网络基础。组成数字音频网络的交换机、集线器都是多端口的， 可以用来连接电脑、服务器、网络打印机及各种网络设备。 基于以太网的c o b r a n e t 技术是最先进的音频传输技术之一，它能很好的满足 专业音频传输系统数字化、网络化的发展需求。c o b r a n e t 技术基于以太网，采用 1 0 0 m b i t 的快速互连网。c o b r a n e t 技术是通过快速e t h e r n e t 传输未压缩实时音频数 据的业界领先的技术，它已成为传输多路音频数据和控制数据的事实上的产业标 准。c o b r a n e t 技术还可提供网络音频、控制和监视等重要功能。基于以太网的音频 传输单元使网络和数字技术与传统音频能够更好地结合应用。 数字音频网络完全达到了专业音频传输、分配领域需求。 极大地简化了网络设计、安装和设备的管理。 相同轨道上的音频和控制数据通常是在单c a t - 5 非屏蔽双绞线中传送的， 2 第一章绪论 极大地降低了导管和安装的成本。 每个网络音频设备都可以在同一个以太网上进行独立的监控。位于网络中 心的以太网控制交换器可为音频网络提供同样的路由功能。 网络数字音频可以传输到单个或多个目的地。以太网交换器首先读取地址 信息并把数字音频准确地传送到目的地。音频路由的改变不再需要人工接线或昂 贵的音频传输单元；正相反，只需要更改地址信息就可以轻易地在瞬间完成音频 路由。 总而言之，数字音频网络可以以更低的价格提供更大程度的灵活性和可靠性。 1 3 课题的研究内容 随着计算机网络技术的发展，网络已经无处不在，通过网络传输数据、文本、 图像乃至视频、音频信号早已在人们的生活和工作中广泛应用。音频传输、分配 系统也正向数字化、网络化发展，但是目前国内外的大部分音频传输、分配系统 仍采用模拟信号的传输方式，音频信号的质量难以保证，系统布线复杂，越来越 不能满足专业音频领域的需求。本论文从实际需求出发，紧密结合网络传输技术、 f p g a 技术、单片机技术及数字音频技术，给出了音频传输、分配系统解决方案。 本课题的提出正是源自于音频传输系统数字化、网络化的发展这一实际要求。 本论文紧密结合网络传输技术、f p g a 技术、单片机技术及数字音频技术，给出了 音频传输、分配系统解决方案，对基于以太网技术的音频传输单元进行了研究， 并重点利用f p g a 设计和实现了其中的多路音频信号的选路分配功能与以太网控 制器，同时设计和实现了数字音频接口电路。 本论文安排如下： 论文共分七章，本章是绪论，介绍了数字音频网络的现状、发展趋势及课题 研究内容。 。 第二章，介绍了系统的方案设计。 第三章，介绍了基于以太网的音频传输单元的设计与实现。包括f p g a 逻辑功 能设计、f p g a 实现功能的框图、f p g a 配置实现等。 第四章，介绍了a e s 数字音频i o 模块设计，主要包括数字音频接口( d a i ) 规范及a e s 数字i ，o 模块原理图及p c b 设计。 第五章，介绍了以太网控制器( m a c ) 的实现。首先介绍了以太网的基本原 理，然后介绍了以太网控制器顶层模块的主要结构和主要功能子模块的实现过程 电子科技大学硕士学位论文 等。最后，对以太网控制器f p g a 程序进行了验证。 第六章，系统调试，包括三个方面调试：a e s 数字i 0 模块调试、f p g a 部分 调试及系统联调。 第七章，总结。 4 第二章系统方案的设计 第二章系统方案的设计 2 1 音频传输系统的基本组成与基本原理 音频传输系统一般由a d 、d a 、a e s 、微控制器、数字音频处理器、网络控 制器、f p g a 及存储器等几个主要部分组成，如图2 - 1 所示。图中的数字信号处理 及系统控制部分是系统的核心，它通过对a d 转换器、a e s 的控制，音频数据经 过f p g a 选择、选路输出给数字音频处理器，数字音频处理器对输入音频信号进 行封装，封装成标准的以太网报文进行传输；同时，它从标准以太网报文中恢复 音频数据，经过f p g a 选择、选路，通过d a 转换器、a e s 输出。其中，网络控 制器利用f p g a 实现。 音频输入 数字音频 输入输出 音频输入 图2 - 1 音频路由系统的一般组成 在本系统中，对系统的处理速度有严格的要求。因为系统是实时的，音频信 号时效性极强，数据包的延迟发送将导致音频信号的流失和不连贯。 影响系统的处理速度主要是数字音频处理器的运算速度，以及访问外部存储 器的速度。下面对数字音频处理器和外部存储器的选择做一个简单分析，并介绍 系统的外部接口。 2 2 数字音频处理器的选择方案 数字信号处理器一般有几种选择方案：通用处理器( g p p ) 、d s p 处理器以及 f p g a 等。通用处理器不是设计出来做密集乘法任务的，通常一次乘法需要多个指 5 电子科技大学硕士学位论文 令周期来完成。而在本系统中实现音频数据的实时处理需要用到大量的乘加运算， 所以选择通用处理器不能满足要求。下面对d s p 和f p g a 做一个简单的比较。 d s p 作为可编程超大规模集成电路( v l s i ) 器件，通过可下载的软件或固件 来实现扩展算法和数字信号处理功能，主要用于实现f i r 滤波器和f f t 算法。在 硬件上，d s p 最基本的构造单元是m a c 乘加器。m a c 乘加器通常被集成在数据 通道中，使得指令周期可以跟硬件的算术周期时间相同。此外，d s p 芯片还有若 干个独立的片内存储器、r o m 、鼬气m 、并行功能单元、锁相环( p l l ) 、振荡器、 几条8 位或1 6 位的总线，时钟中断电路等。为满足便携式器件无电保存数据的要 求，- d s p 芯片还采用了诸如闪速存储器、铁电存储器等技术。目前，大多数d s p 芯片采用改进的哈佛结构，即数据总线和地址总线相互分离，使得处理指令和数 据可以同时进行，提高了处理效率。另外，还采用流水线技术，将取指、取操作 数、执行等步骤的指令时间可以重叠起来，大大提高了运算速度。 数字音频处理器c s l 8 1 0 1 支持8 通道同步音频输入、输出。c s l 8 1 0 1 融合了 3 2 位音频优化的音频数字信号处理器d s p 4 9 k 系列和c o b r a n c t 技术，在同一芯片 上可提供1 2 0 m 口s 音频优化的3 2 位d s p 及c o b r a n e t 通信处理器。特别适合于功 率放大器、混音器、信号处理器等场合。 f p g a 指的是现场可编程门阵列，其基本功能是由n 输入的查找表，存储数据 的触发器等组成。将查找表与触发器用可编程的布线资源进行连接，可以实现不 同的组合逻辑和时序逻辑。由于f p g a 内部结构的特点，可以很容易地实现分布 式算法结构，这一点对高速数字信号处理十分有利。 f p g a 现有的面向信号处理的工具和口模块还比不上发展较为成熟的d s p 所 有拥有的工具和软件。这些综合因素形成了f p g a 的一个重大缺点。 鉴于以上比较，本系统采用c s l 8 1 0 1 数字音频处理器来实现音频数据实时处 理及r t p 协议栈，f p g a 用于实现系统控制。 2 3 外部存储器的选择方案 2 3 1 外部存储器介绍 外部存储器通常用r a m ( 随机访问存储器) 来实现。r a m 可以快速的存储 数据，但断电后存储的数据将全部丢失。一般用在存储量不是很大，需要迅速读 写，并且不需要长期记忆数据的场合。一般分为s r a m 和d r a m 两种，下面分别 6 第二章系统方案的设计 介绍。 一s r a m s r a m 即静态r a m ，其每一个完整的存储单元都是一个双稳态电路，能够被 驱动而处于o 状态或1 状态，并且在去掉驱动激励后，仍然可以保持这种状态。 所以它不用刷新，只要不断电，数据就一直保持，所以访问速度很快。 目前在芯片设计过程中，经常被用到的s r a m ，其每个存储单元具有6 个 c m o s 晶体管，具体电路模型如图2 - 2 。 确纠 坩 丁 图2 - 2s r a m 存储单元电路模型 它包括四个n m o s 增强型晶体管：q 1 ，q 2 ，q 5 ，q 6 和两个p m o s 增强型晶体管： q 3 ，q 4 。这种结构使得存储单元在保持当前逻辑值的过程中，除了很小的漏电流外， 几乎不消耗其他能量。但也存在一些缺点，这种c m o s 技术由于n m o s 和p m o s 晶体管的存在，使得处理过程需要更多的步骤。 正因为每个s r a m 存储单元中包括6 个晶体管，使得它的物理体积相对于 d r a m 而言大很多，难于集成，所以与d r a m 相比价格比较昂贵。 一d r a m d r a m 即动态r a m ，它的存储单元具有体积小、功耗低的优点，其逻辑值是 通过存储在一个电容中的电荷表示的。通常这个电容是g s 电容，存储在这个电容 的电荷可达到1 0 6 个电子的电量。由于反偏结点漏电流的影响，电容中的电荷值将 会不断减少，需要周期性的补充丢失的电荷，以保证数据的完整性。 目前，最常用的一种d r a m 存储单元电路模型如图2 - 3 。 7 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 3d r a m 存储单元电路模型 单器件存储单元包含一个增强型晶体管和一个独立的电容器，存储单元的逻 辑值决定了电容器是否被充电。执行一个读操作需要将b l 线预充电到传感放大器 的阈值( 介于逻辑0 和逻辑1 之间的一个值) ，然后将w l 拉高，这样，电荷就会 通过电容器c 传到b l 上，这会导致b l 上的电压摆动，电容器c 和b l 的电容的 比值决定了电压摆动的幅度，如果这个比值很小，那么需要非常灵敏的传感放大 器。这种电荷的传递使得读操作是具有破坏性的，所以为了恢复原来的电荷，需 要一个写回操作。将w l 拉高，在b l 上给出希望的值，就可以实现一个写操作。 d r a m 比s r a m 控制起来要麻烦的多，但同时也比s r a m 便宜的多，而且， 由于每一个存储单元只包含一个晶体管，所以，占用的物理空间小，在容量上也 可以做得很大。 d r a m 中较常用的有s d r a m 和d d rs d r a m 。 s d r a m ，即s y n c h r o n o u sd r a m ，是目前使用最为广泛及普通的一种存储器 类型。s d r a m 是同步的，其工作速度与系统总线速度是同步的，工作时钟周期最 小可为5 n s 。 d d rs d r a m ，即d o u b l ed a t ar a t es d r a m ，其速度和容量有了进一步的提 高。理论上，d d rs d r a m 存储器可提供双倍于s d r a m 的速度，带来双倍的性 能。d d rs d r a m 与系统总线时钟同步，不同的是d d rs d r a m 在时钟的上升沿 与下降沿都进行数据处理与传输，s d r a m 只在时钟的上升沿读取数据。 2 3 2 存储器选择 在本系统中，数字音频处理器需要同时处理多路未压缩音频数据，必须使用 外部存储器来解决。 从系统时钟来考虑，目前，设计的系统时钟在3 3 m 比左右，对于s r a m 、 s d r a m 和d d rs d r a m ，这个时钟都可以满足，所以，时钟的限制可以忽略。 从成本来考虑，在同等容量的存储器中，s r a m 的成本要比d r a m 的成本高 很多。 8 第二章系统方案的设计 从器件体积考虑，单片s r a m 的容量很小，需要多片来组合，这样体积就比 采用d r a m 的要大很多。 从控制的复杂度来考虑，s r a m 的控制最简单，不需要刷新操作，其次是 s d r a m , 它的控制难点在于需要刷新操作，控制最复杂的是d d rs r a m ，它在时 钟的上升沿和下降沿都要进行数据传输。 综上所述，从单片容量、时钟、体积、控制复杂度等几个方面综合考虑，s r a m 是最佳选择，它的优点是速度快，控制简单，完全可以音频实时处理要求，虽然 成本要高一些，但在可接受的范围之内，况且，与控制复杂度相比，成本是完全 可以忽略的。 2 。4 网络控制器的实现方案 为了实现音频信号的网络化传输，音频数据经过数字音频处理器处理后通过 网络控制器输出到以太网上进行传输，同时网络控制器接收以太网报文，数字音 频处理器从以太网报文中恢复音频数据。本系统中利用f p g a 实现网络控制器。 利用f p g a 实现的以太网控制器：符合i e e e 8 0 2 3 x 规定的全双工帧控制；3 2 位c r c 校验序列的自动产生和检查；发送和接收数据包的完全状态控制；满足 i e e e 8 0 2 3 规定的m i i ( 媒体无关接口) 等。 为了提高系统容错功能，采用双网络控制器设计。 2 5f p g a 的选择方案 f p g a 硬件系统设计主要包括几个方面。芯片的选型、原理图设计技巧、p c b 的设计原则、电源调试技巧。 - f p g a 芯片厂商的选择 芯片厂商的选择可以根据以往的经验实际条件，比如公司一直用那个公司的 产品，或者实验室的师兄们都用那个公司的产品多一些等等。如果自己对那个公 司的产品比较熟悉，还是不要轻易更换。因为学习软件和了解芯片结构是需要一 些时间的，而且也会引入一些设计风险。不同厂商的芯片在设计细节方面还是有 些不同，对这个公司的芯片适合，不一定对另外公司的芯片适合。f p g a 芯片厂商 的选择参考原则。 9 电子科技大学硕士学位论文 如果需要尽快上市，抢占市场，一般选择开发简单的a l t e r a 或者x i l i n x 产 品： 如果产品已经稳定，需要提高保密性能和稳定性能，或者进一步降低成本， 可以考虑l a t t i c e 、q u i c k l o g i c 或者a c t e l 公司的反熔丝或者f l a s h 类型的f p g a 如果需要很强的抗干扰性能，工作环境十分恶劣，如航空航天，一般选用 a c t e l 公司的产品。 结合以往的工作经验及f p g a 芯片厂商选择参考原则，本系统中选择x i l i n x 公司的产品，加快产品上市时间，抢占市场。 f p g a 型号的选择 首先，选择采用哪个系列的f p g a ，下厩选择一个具体的型号。需要考虑的因 素主要有以下几点。 封装 主要在于选择管脚的数目，如果管脚够用，尽量选择表面贴装，如t q f p 或者 q f p 的封装。 不推荐选择b g a 封装：会带来焊接成本的提高、增加了布线难度、降低了测 试性。 资源 一般在设计的开始阶段，无法估计规模大小。一般需要根据经验选择，一般 都要选择确定的封装里面规模最大的型号。 资源包括逻辑资源和存储资源。选择芯片的时候不仅要考虑逻辑资源够用， 还要保证存储资源够用。本系统中在正弦波的实现需要f p g a 内部综合r o m 、 r a m ，尤其要考虑存储器资源情况。 一 升级性 为了以后增加功能或者升级性能，f p g a 设计好后，必须有一定的升级空间。 最终设计不要超过所使用f p g a 资源的5 0 0 , 。 f p g a 系统外围芯片的选择 电源芯片：如果电流较小，可以选择a s l l l 7 系列，表贴型封装；如果电 1 0 第二章系统方案的设计 流较大，可以选择a s 2 8 x x 系列，表贴型封装； 存储芯片：尽量选择升级空间大，管脚兼容的系列。s d r a m 一般选择 s a m s u n g 的k 4 s 系列，或者现代的h y 5 7 v 系列；s r a m 一般选择i s s i 的6 1 l v 系列；n o rf l a s h 一般选择a m d 的2 9 l v 系列或者s s t 的芯片：n a n df l a s h 一般选择s a m s u n g 的k 9 s 系列。 2 6a d c 及d a c 的选择 考虑到系统传输专业音频，系统对a d c 及d a c 有很高的要求。a d c 、d a c 必须满足音频数据采样率及量化分辨率，才能达到象广播电台等专业领域音频传 输的高质量要求。 该设计中采用的a d c 芯片为c i r r u sl o g i c 公司的c s 5 3 9 6 。c s 5 3 9 6 的量化分 辨率为2 4 位；动态范围为1 2 0 d b ；t h d + n ( 总谐波失真加噪声) 大于1 0 5 d b ；支 持3 2 k h z 、4 4 1k h z 、4 8 k h z 及9 6 k h z 采样率。 d a c 芯片采用c i r r u sl o g i c 公司的c s 4 3 9 6 。c s 4 3 9 6 的量化分辨率为2 4 位； 最高采样率为1 9 2k h z ；动态范围为1 2 0 d b ；t h d + n 为+ 1 0 0 d b 。 2 7 系统的总体方案设计 经过以上分析后，已经确定将c s l 8 1 0 1 作为数字音频处理器，s r a m 作为外 部存储器、8 0 5 1 及f p g a 作为系统控制，f p g a 实现以太网控制器。其中，f p g a 作为a d 、a e s 音频输入模块多路音频数据到数字音频处理器的选路，同时作为 网络音频到d a 、a e s 输出板的选路，f p g a 还实现了重要的胶合逻辑功能以及以 太网控制器。 输入端的a d 采用c i r r u sl o g i c 公司的c s 5 3 9 6 ，音频的模拟输出端d a 采用 c i r r u sl d g i c 公司的c s 4 3 9 6 ，a e s 数字输入、输出采用a k 4 1 1 4 ，考虑到该系统需 要p c 机控制及网络控制，选用串口和p c 机通信，完成单片机及f p g a 程序加载。 同时利用s n m p 协议编写系统控制软件。设计方案如图2 4 所示： 1 1 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 音频路由系统的总体框图 第三章基于以太网的音频传输单元的设计与实现 第三章基于以太网的音频传输单元的设计与实现 3 1 基于以太网的音频传输单元的工作原理、框图b 6 1 8 7 1 t 9 】 基于以太网的音频传输单元的工作流程是：经过a d c 采样转换的及数字音频 收发器( a e s ) 接收的多路数字音频信号输出到f f g a 的数据通路中，在单片机的控 制下，实现多路音频数据的选择、分配和切换，然后提供给网络音频传输模块； 同样相反的过程，来自网络音频传输模块的多路音频数据，也在f p g a 数据通路 中进行选择、分配和切换，然后通过d a c 输出或通过数字音频收发器( a e s ) 输出。 网络音频传输模块模块实现对多路音频数据打包，转换成标准的e t h e m e t 报文，利 用5 类线( c a t - 5 ) 通过计算机网络进行实时传输，同时也接收网络上的e t h e r n e t 报文，进行解封装，从e t h e r n e t 报文恢复多路音频数据，并与单片机进行控制信息 交换。 基于以太网技术的音频传输单元系统框图如图3 1 所示。 1 型 两 络 音 频 处 理 十凸 捶 块 图3 - 1 基于以太网的音频传输单元结构框图 基于以太网技术的音频传输单元主要包括以下几部分； 模拟音频接口：2 - 8 路模拟音频数据转换为高质量、2 4 b i t 、4 8 k h z 采样 率数字音频数据输入；2 - 8 路2 4 b i t 、4 8 k h z 采样率数字音频数据转换为模拟音频输 出。 数字音频接口：a e s 四路数据流输入、a e s 四路数据流输出，每个数据 流包括两路数字音频。 8 0 5 1 微控制器：6 4 k b 片上闪存，l k b 内部s r a m ，3 2 k b 外部s r a m ， 电子科技大学硕士学位论文 在系统编程特性。 r s 2 3 2 接口：两个r s 2 3 2 接口，一个与网络音频处理模块连接，一个与 8 0 5 1 微控制器连接。 f p g a ：x i l i n x 公司s p a r t a n 系列f p g a ，实现音频路由及胶合逻辑实现 等。 v c ) 【o ：提供系统工作时钟，2 4 5 7 6 m h z 频率。 网络音频处理模块结构框图如下图3 - 2 所示。 图3 - 2 网络音频处理模块结构框图 网络音频处理模块主要包括以下几个部分： c s l 8 1 0 1 ：网络音频处理器，用于实现网络协议栈以及采样时钟重建。 闪存：存储c o b r a n e t 固件及管理接口变量。 网络控制器：利用f p g a 实现。标准1 0 0 m 快速以太网，全双工，自适应。 v c x o ：用于产生采样时钟。 3 1 1f p g a 模块的工作配置 f p g a 映射到单片机数据存储空间，系统加电或复位，单片机对f p g a 进行配 置。 表3 - 1f l a s h 程序存储空间映射 i 存储空间描述 o x 0 0 0 0 0 x b f f f程序存储器 o x c 0 0 0 一0 x f f f ff p g a 配置数据 p 8 9 c 5 1 单片机不仅包括内部程序存储器和数据存储器，还包括内部6 4 k 数据 存储空间。单片机通过硬线连接从内部f l a s h 程序存储器启动，f l a s h 存储器存 有单片机程序和f p g a 配置数据。 1 4 第三章基于以太网的音频传输单元的设计与实现 存储空间描述 0 x 0 0 0 0 - 0 x 0 2 f f内部静态存储器 o x 0 3 0 0 0 【7 f f f外部静态存储器 o x 8 0 0 0 咴8 7 0 0 未使用 o x 8 8 0 0 f p g a e x p r e s s 模式配置地址 o x 8 8 0 1 0 x f l q 陌未使用 表3 - 3f p g a 配置后单片机存储空间映射表 存储空间读写描述 0 x 8 0 0 8写d a c 音频路由地址 0 x 8 0 0 9写d a c 静音位寄存器 o x 8 0 0 a写d a c 采样率寄存器 o x 8 0 0 b写d a c 复位寄存器 o x 8 0 1 0写a d c 定标状态寄存器 0 x 8 0 1 0写a d c 手动定标寄存器 0 x 8 0 1 1写a d c 主从模式寄存器 o x 8 0 1 8写a e s 音频路由地址 0 x 8 0 1 9写a e s 静音寄存器 0 x 8 0 2 0写s s i o 音频路由地址 o x 8 0 2 1写s s i o 静音寄存器 o x 8 0 2 8写s s l l 音频路由地址 o x 8 0 2 9写s s l l 静音寄存器 o x 8 0 3 0写s s l 2 音频路由地址 o x 8 0 3 1写s s l 2 静音寄存器 o x 8 0 3 8写 s s l 3 音频路由地址 o x 8 0 3 9写s s b 静音寄存器 系统复位后，f p g a 是上部3 2 k 数据存储空间的唯一设备。然后，单片机开始 配置f p g a 一旦f p g a 配置成功，f p g a 对上部数据存储空间进行更为精密的地址 译码。音频路由寄存器位定义如下： 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 4 音频路由寄存器位定义 路由寄存器数据位音频数据源 a d 2a d la d o 0ooc m s s l 0 音频输入 0o 1c m s s l l 音频输入 01oc m s s l 2 音频输入 o11c ms s l 3 音频输入 10oa d c 低延时音频输入 1o1a e s 0 音频输入 11oa e s l 音频输入 11l正弦波 f p g a 内包含一3 2 倍采样、2 4 位的正弦波信号。正弦波与采样时钟同步，正 弦波的基本频率为4 8 k l - l z 3 2 = 1 5 0 0 i - i z 或9 6 k h z 采样率下为3 0 0 0 i - i z 。正弦波的增益 和频率可以通过f p g a 内部寄存器控制。 正弦波频率控制寄存器位定义如下： 表3 - 5 正弦波频率控制寄存器位定义 频率寄存器数据位频率4 8 k h z ( 9 6k h z ) a d 3a d 2a d l a d 0 00 o11 5k h z ( 3 0 k h z ) 0o1o 3 0i d - i z ( 6 0k h z ) 0011 4 5k h z ( 9 0k h z ) o1oo 6 0k h z ( 1 2 0 k h z ) 0lo17 5k h z ( 1 5 0 k a z ) o11o 9 0 k h z ( 1 8 0 k h z ) 01111 0 5k h z ( 2 1 0k h z ) 1000 1 2 0k h z ( 2 4 0k h z ) 3 1 2f p g a 模块的功能定义和框图 根据基