（通信与信息系统专业论文）基于fpga的通用数字化音频处理平台的研究与实现.pdf

北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通j j 数字化音频处理平台的研究与实现 基于f p g a 的通用数字化音频处理平台的研究与实现 摘要 目前对数字化音频处理的具体实现主要集中在以d s p 或专用 a s i c 芯片为核心的处理平台的开发方面，存在着并行处理性能差， 系统升级和在线配置不灵活等缺点。另一方面现有解决方案的设计主 要集中于处理器芯片，而对于音频编解码芯片的关注度较低，而且没 有提出过从芯片层到p c b 板层的完整设计思路。本文针对上述问题 对数字化音频处理平台进行了研究，主要内容包括： 1 、提出了基于f p g a 的通用音频处理平台，该方案有别于现有 的基于m c u 、d s p 和其它专用a s i c 芯片的方案，论证了基于f p g a 的音频处理系统的结构及设计工作流程，并对嵌入式音频处理系统专 门进行了研究。 2 、提出了从芯片层到p c b 板层的完整设计思路，并将设计思路 得以实现。完成了f p g a 的设计及实现过程，包括：系统整体分析， 设计流程分析，配置模块和数据通信模块的r 1 1 l 实现等；解决了 f p g a 与音频编解码芯片t l v 3 2 嗍c 2 3 b 之间接口不匹配问题；给出 配置和数据通信模块的功能方框图；从多个角度完善p c b 板设计， 给出了各个系统组成部分的详细设计方案和硬件电路原理图，并附有 p c b 图。 3 、建立了实验和分析环境，完成了各项实验和分析工作，主要 包括：p c b 板信号完整性分析和优化，f p g a 系统中各个功能模块的 实验与分析等。实验和分析结果论证了系统设计的合理性和实用性。 本文的研究与实现工作通过实验和分析得到了验证。结果表明， 本文提出的由f p g a 和音频编解码芯片t l v 3 2 叫c 2 3 b 组成的数字 化音频处理系统完全可以实现音频信号的数字化处理，从而可以将 f p g a 在数字信号处理领域的优点充分发挥于音频信号处理领域。 关键词：现场可编程门阵列音频处理电路设计印刷电路板 北京邮电人学硕十学位论文 基丁f p g a 的通m 数字化音频处理平台的研究与实现 r e s e a r c ha n di m p l e m e n l c a t i o no f g e n e r a ld i g i t a la u d i o p r o c e s s i n g p l a t f o r mb a s e do n f p g a a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ei m p l e m e n t a t i o no fd i g i t a la u d i op r o c e s s i n gi sm a i n l y f o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to fp l a t f o r mu s i n gd s po ra s i ca st h ec o r e 7 r h e r ea r es e v e r a ld i s a d v a n t a g e s ：t h ea b i l i t yo fc o n c u r r e n tp r o c e s s i n gi s w e a k ，t h es y s t e mc a nn o tg e tu p d a t ea n do nl i n ec o n f i g u r a t i o ne a s i l ya n d e t c o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e s i g no fr e c e n ts o l u t i o ni sm a i n l yo np r o c e s s c h i p ，b u tt h e r ei sl e s sa t t e n t i o no fa u d i oc o d e cc h i p f u r t h e m o r e ，t h e w h o l ed e s i g na p p r o a c hf r o mc h i pl e v e lt op c bl e v e lh a sn o tb e e n m e n t i o n e dy e t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sa b o v e ，t h e r ea r et h r e ea s p e c t s o fr e s e a r c bi nt h ea r t i c l e ： 1 ag e n e r a la u d i op r o c e s s i n gp l a t f b mb a s e do nf p g ai sp r o p o s e d ， w h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h ec u r r e n ts o l u t i o n sw i t hm c u ，d s pa n do t h e r a s i c s t h ea r c h i t e c t u r ea n dd e s i g nf l o wo ft h ep l a t f o f mg e t sr e a s o n e d ， a n dd os o m er e s e a r c ho nt h ee m b e d d e da u d i op r o c e s s i n gs y s t e m 2 t h ec o m p l e t ed e s i g nf l o wf 】0 哪【lc h i pl e v e lt op c bl e v e li s p r o p o s e d ，a n dt h es y s t e mi sr e a l i z e d 7 1 1 h ed e s i g no ff p g a a n dp c bg e t s f i n i s h e d ，t h ed e t a i l e dr 几a n dp c bl a y o u ta r eo 骶r e d 3 t h ee x p e r i m e n ta n da n a l y s i si sm a i n l yo n ：p c b ss i g n a li n t e g r i t y a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o n ，e x p e r i m e n ta n da n a l y s i so ne v e 巧m o d u l eo f t h ef p g a t h ef e s u l tp r o v e st h er a t i o n a l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h e s y s t e m t t l es o l u t i o no ft h i sa n i c l ei sc o m p o s e do ff p g aa n da na u d i oc o d e c c h i p ，w h i c hc a nf u u ym a k eu s eo ft h ef p g a ? sm e r i t so nd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g k e yw o r d s ：f p g a ，a u d i op r o c e s s i n g ，c i r c u i td e s i g n ，p c b 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 蒸当 日期：2 ：旦：至! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型墨! 日期：鲨z 笪 北京邮电人学硕十学位论文基，f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 第一章绪论 本章介绍音频处理的基本概念和意义，分析相关国内外对音频处理和f p g a 方面的研究现状和存在的问题，结合实际应用的需求，阐述了本文的研究背景、 目标和内容，以及论文的组织安排。 1 1 引言 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，对音频信号迸行数字化处理便成为可能。数字化处理的核心是对音频信息进 行采样，然后对采集到的数据进行处理。 在过去的2 0 年中，数字音频处理技术己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。数字音频处理的核心是对音频信息进行采样，并使用二 进制序列存放，通过对采集到的数据进行处理，达到滤波处理的目的。 数字信号处理手段多种多样，而常用方式主要包括：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。其中，可编程逻辑器件 又以高并行处理性，高可配置性等特点而逐渐收到青睐【1 1 。目前，发展速度最快 的当数可编程逻辑器件家族中的现场门阵列( f p g a ) 1 2 1 ，正由于此，研究开发 以f p g a 为处理核心的音频处理系统就显得尤为重要。 1 2 课题背景及现状 本节对f p g a 和音频处理技术的国内外研究现状进行总结、分析，随后说明 目前在这个方向有待改进的方面。 北京邮电人学硕十学位论文基- 丁f p g a 的通心数字化音频处理平台的研究与实现 1 2 1f p g a 技术的发展现状 f p g a 是英文f i e l dp r o g r 锄m a b l eg a t ea n a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 它是在p a j l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路 的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点【3 l 。 f p g a 适用于实现时序逻辑( s e q u e n t i a ll o 酉c ) ，而实现组合逻辑 ( c o m b i n a t i o n a l l o 西c ) 的能力稍显不足。换句话说，f p g a 适合于触发器( n i p n o p ) 较多的结构，而不太适合于触发器有限而乘积项( p f o d u c tt e m ) 较多的结构【训。 f p g a 的时间特性预估比困难。f p g a 的分段式布线结构使得其时间延迟的 预测变的困难，但是在编程上f p g a 具有更大的灵活性。f p g a 主要是通过改变 内部电路布线来编程，也就是说，f p g a 可在逻辑门下编型5 1 。 f p g a 的集成度高，适合较复杂的布线结构和逻辑实现，所以f p g a 元件具 有很高的可编程逻辑门数。 f p g a 是由存放在片内删中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时 需要对片内的i 乙州进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程 方式。加电时，f p g a 芯片将配置芯片中数据读入片内编程洲中，配置完成 后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因 此，f p g a 能够反复使用。因此，f p g a 的使用非常灵洲6 1 。 在编程方式上，f p g a 大部分是基于s r a m 编程，编程信息会在系统断电 时消失，所以每次上电复位时系统都要重新将编程信息从外部记忆装置读入 f p g a 中的s 蝴，其优点是可编程次数不限，并且在实现过程中可以很方便的 随时更改编程i 丌。 f p g a 的编程采用s 洲技术，所以使用时外部需要搭配记忆储存元件存 放编程信息，使用方法较复杂。这一特性进一步造成f p g a 的保密特性较差；因 为f p g a 的电路编程数据另外储存在外部的记忆元件中( e p r o m 】n a s h ) ，电路 资料容易被他人读取，电路容易被复制【8 】【9 1 。 一般情祝下，f p g a 的功耗比较小，且集成度越高单位功耗越小。f p g a 采 用了逻辑单元阵列( l 0 西cc e l la a y ) 这样一个新概念，内部包括可配置 逻辑模块c l b( c o n f i g l l r a b l el o g i cb j o c k ) ，输出输入模块i o b( i n p u to u t p u t b l o c k ) 和内部连线( i n t e r c 0 n n e c t ) 三个部分。f p g a 的基本特点主要有 4 l ： 2 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 ( a ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的 芯片。 ( b ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片。 ( c ) f p g a 内部有丰富的触发器和i o 引脚。 ( d ) f p g a 是a s i c 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器 件之一。 ( e ) f p g a 采用高速c h m o s 工艺，功耗低，可以与c m o s 、t r l 电平兼 容。 f p g a 有着规整的内部逻辑块阵列和丰富的资源，特别适合细粒度和高并行 度结构特点的数字信号处理任务，如f f r 滤波器等，相对于串行运算主导的通 用d s p 芯片来说并行性和扩展性都更好。 f p g a 当中有很多自由的门，将这些自由的门连接起来可以形成乘法器、寄 存器以及地址发生器等等。这些模块需要在框图级完成，许多块可以从简单的门 到f 1 r ( 有限冲激响应) 和f f r ( 快速傅立叶变换) 在很高的级别完成。但它的 性能受门数及运算速度的限制。 由于f p g a 具有现场可编程的特点，可以实现专用集成电路a s l c ，f p g a 既具有门阵列的商逻辑密度和高可靠性，又具有可编程逻辑器件的用户可编程特 性，可以减少系统设计和维护的风险，降低产品成本，缩短设计周期。因此越来 越受到硬件电路设计工程师门的青睐。 自1 9 8 5 年x i l i i l 】【 公司推出第一片现场可编程逻辑器件( f p g a ) 至今【1 0 1 ， f p g a 已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以f p g a 为代表 的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的 1 2 0 0 个可利用门，发展到9 0 年代的2 5 万个可利用门，新世纪来临之即，国际 上现场可编程逻辑器件的著名厂商舢t e r a 公司、x i l i l l x 公司又陆续推出了数百 万门的单片f p g a 芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平【1 1 l 。 纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根 本在于f p g a 不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其 开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使f p g a 越来越多地取代 了a s i c 的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使f p g a 成为首选【1 2 1 。 目前，f p g a 的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展， 系统设计进入“片上可编程系统( s o p c ) ”的新纪元；芯片朝着高密度、低压、 3 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其l p 库，以优化的资源更好的满 足用户的需求，扩大市场：特别是引人注目的所谓f p g a 动念可重构技术的开拓， 将推动数字系统设计观念的巨大转变1 1 2 】。 近年来，随着集成芯片制造技术的发展，现场可编程门阵列在速度和集成度 两方面得到了飞速提高。由于它具有功耗低、体积小、集成度高、速度快、开发 周期短、费用低、用户可定义功能及可重复编程和重复编程擦写等许多优点，应 用领域不断扩大，越来越多的电子系统开始采用可编程逻辑器件来实现数字信号 处理，从而使通用d s p 芯片难于完成的一些时序组合逻辑和某些简单的大运算 量的数学计算得以实现。 现场可编程门阵列的价值在于其缩短电子产品制造商开发周期以及帮助他 们更快地将产品推向市场的能力。随着p l d 供应商继续致力于在可编程逻辑器 件中集成更多的功能、降低其成本并提高能够节约时间的口核心的可用性，可 编程逻辑一定会在数字设计人员中进一步普及开来。 1 2 2 音频处理技术 语言是人类进行信息交流最直接、最方便、最有效的工具，音频信号是携带 语言信息的音频声波。在信息化时代，人们也期望用这种最便捷的信息交流工具 和各种信息存储、处理的设备和终端进行信息交互。音频信号处理研究如何能更 加有效地产生、传输和获取语言信息的一门学科。它涉及数字信号处理、语言学、 语音学、生理学、心理学、模式识别以及人工智能等多个学科的知识，是信息技 术学科中发展最为迅速的一个领域。音频信号处理内容非常广泛，它包含语音识 别语音合成，此外还有音频压缩编码、语音理解、说话人识别、语音增强等各个 分支，总的来说音频信号处理包含了音频信号的数字表示方法，音频信号处理的 各种方法和技术以及音频处理理论和技术在各个领域中的实际应用【1 0 1 。 1 9 3 9 年，d u d l e y 发明声码器，通道声码器技术取代了“波形原则 的处理 方法，它的理论基础认为声音是由人的声带振动产生的声源( 载波) 受到不断变 化的声道的控制( 调制) 而产生的这一概念就是以后迅速发展起来，并广泛应用 到各种理论研究和应用实际过程中的语音参数模型的雏形，由此人们开始了语音 合成和语音压缩编码的研究【1 4 l 。微电子和集成电路技术取得新的进展，高性价 比的微处理芯片和性能优异的专用信号处理芯片不断问世，再次推动了音频信号 处理技术的发展和应用。 4 北京邮电人学硕十学位论文基于f 1 p g a 的通用数字化音频处理平台的研究与实现 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，因此系统工作在实时方式( 在线方式) 下，就对系统所采用硬 件的性能要求很高，包括处理速度和存储容量等。音频处理所要完成的任务越来 越复杂，对处理效果的要求不断提高，音频处理算法也随之日益复杂，它会要求 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。需要音频处理器的运算速度达到1 0 2 0 m i p s ，在应用中会根据任务的要求 不同处理速度甚至要达到5 0 m i p s 。 实时音频信号数字处理系统通常以两种方式实现1 1 0 l ： 第一种是用一台计算机作为主机，插上一块或若干块数字信号处理板来构 成，后者由通用或专用的数字信号处理器芯片及相应的存储芯片、接口芯片和音 频信号的转换芯片组成。 第二种则由专用或通用的芯片及其它辅助芯片构成一个独立工作的系统。前 者通常称为非脱机工作系统，用于音频识别、合成、增强或模拟实验中。后者称 为脱机工作系统，用于编码、小词汇表识别与合成等场合。 1 3 主要工作及论文结构 1 3 1 主要工作 本文设计的内容是利用f p g a 实现一种数字音频处理器。完成了音频处理器 的结构设计，利用硬件描述语言v h d l 进行程序设计，最后利用软件q u a n u si i 对设计结果进行仿真，验证设计结果达到了设计要求。基于f p g a 实现的音频处 理器较之利用传统音频处理器实现的数字音频处理器有着更良好的品质： 1 、缩短了设计周期。由于利用硬件描述语言d l 进行程序设计，完成音 频处理器各个模块的设计，对程序进行优化设计，达到设计要求，利用仿真软件 就可验证设计结果，缩短了设计周期。 2 、p c b 板的体积大幅度缩小。由于使用了小芯片面积的音频处理器，电路 板的面积将大大减小。 3 、降低了系统芯片的体积和功耗。便携设备对体积和功耗要求十分苛刻， 而体积小正是f p g a 设计成型后量产为a s i c 芯片的优点之一。 显然利用f p g a 实现这种数字音频处理器具有更好的市场前景。但这种处理 5 北京邮电人学硕+ 学位论文基丁f p g a 的通刚数字化音频处理平台的研究与实现 器目前还处于研究阶段，尚未应用到产品当中。因此，设计这种处理器就是本项 目的研究目标。 1 3 2 论文结构 通过对关键问题的分析、研究内容的总结，本文共分六章，其主要章节、研 究内容及各关键问题之间的关系如图1 1 所示： 图1 1论文组织结构 图1 1 中所示各章节具体内容如下： 6 一研究内容一 ，一一一、 一7 研究内容二、 一一一一， 一研究内容三、 一一，| ， 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 第1 章介绍了论文的背景知识，对f p g a 和音频处理技术的国内外研究现状 进行总结、分析介绍音频处理的基本概念和意义，分析相关国内外对音频处理和 f p g a 方面的研究现状和存在的问题，结合实际应用的需求，说明本文的研究课 题的背景、目标、内容及意义。 第2 章详细分析了音频处理系统的结构及工作流程，并对嵌入式音频处理 系统专门进行了研究。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，并提出每个单元的性能指标。最后，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 章详细介绍了该系统的硬件平台设计及实现过程，包括电源管理部分、 音频编解码器部分、f p g a 部分、j t a g 和测试接口部分和时钟控制部分等各个 模块的详细设计，给出各模块的硬件电路，并附有p c b 图。其中音频信号的编 解码处理( a u d i oc o d e c ) 由n 3 2 0 m c 2 3 b 芯片完成，音频处理部分的算法主 要通过f p g a 芯片来运行。 第4 章介绍了基于舢t e r a 的软件开发环境( q u a t u si i ) 的f p g a 开发和设 计流程，详细介绍了f p g a 系统的设计及实现过程，包括系统整体分析，设计流 程分析，配置和数据通信模块的r 1 几代码实现过程等，给出配置和数据通信模 块的功能方框图。并且重点在于f p g a 系统的开发和优化方面。根据所选芯片的 工作模式、性能以及资源，完成了整个f p g a 层次的r 1 m 设计。 第5 章详细叙述研究过程中完成的各项测试和仿真工作。主要包括：p c b 板信号完整性( s i 印a l i n t e 蓼i t y ) 分析和优化，f p g a 系统中各个功能模块的仿真 和验证等。详细描述了分层实验和分析的过程，列举出实验数据图表，通过实验 数据进行比较分析，对论文所完成工作进行总结和自评。 第6 章对论文的研究工作做出了总结，对仍然存在的问题进行了分析并对 今后的工作进行了展望，指明了今后进一步研究的方向。 7 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 第二章音频系统的原理与组成 本章从系统整体的角度对音频系统进行分析，将系统划分为各个相对独立的 功能模块，并且根据各个模块的设计需求选择相应的芯片，最后给出了系统的连 接结构图。 2 1 音频处理系统结构分析 本节将给出全系统的结构划分关系，并给出每个功能单元的性能指标：接口 i o 和处理能力等。通过对整个数字化音频处理系统结构的预估，得出数字化音 频处理系 1 s t 酬g 撕n ha o c _ _ -1 i 卜 a u d 。nl ， p r o c e s s m o d u l e a 们i 。眦l 卜 s - 酬g a i nh 吣 _ t xk 图2 1 数字化音频处理系统功能框图 图2 1 中，数字化音频处理系统主要包括模拟音频信号采集、a d c 、接收模 块( r x ) 、数字音频信号处理、发送模块( t x ) 、d a c 以及模拟音频信号输出。 其中模拟音频信号采集、a d c 、d a c 和模拟音频信号回放部分的功能可以由音 频专用芯片完成，接收模块( r x ) 、数字音频信号处理和发送模块( t x ) 部分 的功能则由处理器完成。 音频输入输出方式包括：线路输入、输出( u n e m 口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 咖e o u t ) 两种方式。 2 2 处理器芯片选型 本节将对处理器芯片做一个简单的介绍，然后根据系统特点完成对处理器芯 8 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通用数字化音频处理平台的研究与实现 片的选型工作。 2 1 2 处理器的可选方案 m c u ：通常的m c u 是以控制为主的，数据处理能力较低，接口资源有限。 d s p ：内部采用哈佛结构，数据处理能力强，工作频率高；接口资源丰富， 但芯片成本相对较高。d s p 同m c u 相比有如下优点：d s p 的速度比m c u 快， 主频较高；d s p 适合于数据处理，数据处理的指令效率较高；d s p 可以同时处 理的事件较多，系统成本有可能较低；d s p 的灵活性较好，大多数算法都可以软 件实现；d s p 的集成度较高，可靠性较好。显然，m c u 不适合本系统的设计要 求【1 0 l 【1 6 1 。 f p g a ：接口设计灵活，用户自定义端口功能，具有强大的并行处理能力。 新型f p g a 可以用内部乘法器寄存器内存块构造软核，例如构造a r m ，则可 以实现a r m 的功能；若构造成d s p ，则可以实现d s p 的功能。不过f p g a 的 功耗较大，一般情况下构造a r m d s p 不如专用a r m d s p 方便，但是在高速信 号处理时，可以采用并行结构，大大提高处理速度，甚至可以超过目前最快的 d s p 【6 】。 尽管f p g a 和d s p 一样拥有2 0 多年的历史，但和d s p 相比，f p g a 由于成 本、功耗和性能限制，一直处于系统外围，从最初用于胶合逻辑，到用于控制逻 辑，再到用于数据通路，逐渐接近系统核心。传统上，f p g a 被用作d s p 解决 方案中所需要的系统逻辑、多路处理及合并等功能，或是多i o 接口。 进入2 1 世纪后，f p g a 逐渐与d s p 并列成为系统核心：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，三网合一c 蹦p l a y ) 和融合时代来临，要求复杂和大量并 行处理，d s p 在做并行处理时不如f p g a ，这为具有强大并行处理能力的f p g a 带来了需求。 正是因为如此，从9 0 纳米开始，f p g a 巨头们就争相推出面向d s p 应用优 化的高端f p g a 平台，并在6 5 纳米f p g a 中进一步增强了d s p 功能。例如，赛 灵思( x i l i n 】【) 面向d s p 应用的x t r c m e d s p 产品线包括高端的v i n e x 4s x 和 v i r t e x 5s x t ，不久前又推出了低成本s p a n a n 3 ad s p 系列【埘，而舢t e r a 的s t f a t i 】【 i l 和s t r a t 政i i i ，以及6 5 纳米低成本c v c l o n ei i i 系列同样强调d s p 应用【1 1 】。它们 的高端f p g a 平台，瞄准的是高端通信和视频应用，如无线基站和包括监控、广 9 北京邮电人学硕+ 学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 播以及3 d 医疗图像在内的高分辨率视频应用；低端平台则定位于大量对价格和 功耗都很敏感的应用，包括微蜂窝基站、军用移动软件定义无线电、超声系统、 辅助驾驶多媒体系统、高清视频以及智能口相机等，这些也都是传统d s p 芯片 看重的新兴应用。 d s p 表示的是数字信号处理，并不代表d s p 芯片，实际上数字信号处理有 很多不同实现方法，可以用d s p 芯片，也可以是f p g a 和a s i c 作数字信号处 理。事实上，由于f p g a 是一个天生的并行处理结构，因此在进行复杂计算时性 能远远超过传统d s p 芯片【1 2 j 。 传统d s p 芯片是实时信号处理的最佳答案，但它毕竟是一个串行结构，进 行复杂运算时可能来回循环几百次，因此速度反而不是很快，单个d s p 处理器 很难满足5 g m a c s 以上性能需求；而f p g a 是天生的并行处理结构，包含了几 百个m a c 单元，因此性能远远高于传统d s p 芯片，例如v i n e x 5s x tf p g a 在 5 5 0 m h z 下性能可达5 5 0 m s p s ；而主频为1 g h z 的d s p 性能只能达到8 m s p s 【1 0 l 。 本文要实现数字音频处理系统的通用平台，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。 2 2 2f p g a 芯片选型及c y c l o n e 芯片介绍 选择芯片主要是从：速度、面积和应用领域上进行考虑。c p l d 主要完成组 合逻辑设计，f p g a 适合完成时序逻辑。而本系统从数据传输和音频处理上都是 以时序处理为主，所以选f p g a 更合适。 根据目前这个音频处理平台来看，由于是设计初期，而且算法的实现所需资 源还未知，主要工作还是进行f p g a 芯片与音频处理芯片之间的配置和通信，所 以千逻辑单元级的f p g a 芯片对目前的系统是足够的。 舢t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g a 是目前市场上性价比最优且价格最低 的f p g a 产品族。c v c l 伽e 器件具有为大批量价格敏感应用优化的功能集，这些 应用市场包括消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类【1 1 】。 器件基于成本优化的全铜1 5 vs 凡m 工艺，容量从2 9 1 0 至2 0 0 6 0 个逻辑单 元，具有多达2 9 4 9 1 2 b i t 嵌入r a m ，见表2 1 。c v c l o n ef p g a 支持各种单端i o 标准如im ，、i ，v c m o s 、p c i 和s s t 【广2 乃，通过l v d s 和r s d s 标准提供多 达1 2 9 个通道的差分i o 支持。每个l 、，d s 通道高达6 4 0 m b p s 。c y c l o n e 器件具 有双数据速率( d d r ) s d r a m 和f c i 乙气m 接口的专用电路。c v c l o n ef p g a 中 1 0 北京邮电人学硕+ 学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 有两个锁相环( p l b ) 提供六个输出和层次时钟结构，以及复杂设计的时钟管 理电路。这些业界最高效架构特性的组合使得f p g a 成为a s l c 最灵活和最合算 的替代方案。c y c l o n e 系列f p g a 产品的具体性能情况如表2 - 1 所示，c y c l o n e 器件封装和狄) 管脚数如表2 2 所示： 特性 e p l c 3e p l c 4e p l c 6e p l c l 2 e p l c 2 0 逻辑单元( l e )2 ，9 1 04 ，0 0 05 ，9 8 01 2 ，0 6 02 0 ，0 6 0 m 4 kr a m 块( 4 k b n + 奇偶校验)1 31 72 05 26 4 r a m 总量5 9 ，9 0 4 7 8 ，3 3 69 2 ，1 6 02 3 9 ，6 1 62 9 4 ，9 1 2 p l l s 1 2 222 最大用户i ，o 数 1 0 4 3 0 1 1 8 52 4 9 3 0 1 差分通道 3 41 2 97 21 0 31 2 9 封装尺寸( m mxm m )e p l c 3e p l c 4e p l c 6e p l c l 2 e p l c 2 0 1 脚t q f p ( 1 6 x 1 6 6 5 1 4 4 脚t q f p ( 2 2 x 挖) 1 0 49 8 2 4 0 脚p q f p ( 3 2x 竭 1 8 51 7 3 2 5 6 脚f i n e l i n eb g a ( 1 7x1 7 )1 8 51 8 5 3 2 4 脚f i n e l n eb g a ( 1 9x1 9 )2 4 92 4 92 3 3 4 0 0 脚f i n e l l n eb g a ( 2 1x2 1 )3 0 13 0 1 注释：t q f p = 薄四方扁平封装 p q f p = 四方扁平封装 b g a = 球栅阵列 如表2 1 和2 2 所示，在综合考虑价格、内部逻辑资源以及加数量，选择 c y c l o n e 系列的e p l c 3 t 1 4 4 来进行系统的前期设计。由于f p g a 是基于s d 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。 c y c l o n e 系列f p g a 产品的对应配置芯片如表2 3 所示： 器件数量 配置器件 e p l c 3 i e p l c 4 i e p l c 6 i e p l c l 2e p l c 2 0 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 e p c s l111n ，an a e p c s 411111 e p c 211122 e p c 411111 e p c 811111 e p c i 611111 如表2 3 所示，在本通用数字化音频处理平台中，由于选择了成本相对低廉 的e p l c 3 ，因此对应选择e p c s l 作为f p g a 芯片的配置芯片。 2 3 音频芯片选型 本节将对音频芯片做一个简单的介绍，然后根据系统特点完成对音频芯片的 选型工作。 2 3 1 过采样d a c 背景与意义 数字信号由于其更容易储存、处理的先天优势，正在得到越来越广泛的应用。 然而人们生活中所涉及的信号都是模拟信号，因此许多控制信号和数字信号的处 理系统需要数据转换设备来为其提供模拟输出。数模转换器或称d a c ，就是担 负这一功能的电路模块。 当前的数据转换和信号处理中，对高精度的数模转换器有很大的需求。然而， 传统的权电阻、权电流网络和开关电容型的结构d a c ，主要采用奈奎斯特采样 频率下的模拟电路来实现，对电路的设计和制造工艺要求很高。尤其在高分辨率 的情况下，电阻或者电流单元的精度对转换的结果有着巨大的影响。以一个2 0 位精度的d a c 为例，如果参考电压选择为3 v ，那么其允许的最大误差( 1 陀l s b ) 约为1 4 3 u v ，甚至小于单个电子存储在电容上所产生的电压，也小于典型的 c m o s 运放输入热噪声。随着v l s i 技术的发展，芯片电源电压将会进一步下降， 这就导致模拟电路的精度要求更高，信噪比愈加恶化。采用传统的奈奎斯特采样 率的d a c 己经无法满足数据采集、数字音频处理等领域对于d a c 的高精度要 求1 1 0 】【刎。 出于以上的原因，采用过采样和噪声整形技术的一d a c ，已经在高精 度和中低速的数模转换中，取代传统数模转换器而成为发展的主流。一 1 2 北京邮电人学硕十学位论文 基丁f p g a 的通用数字化音频处理平台的研究与实现 ( s i 舯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 器件精度、部件失配及非线性在在制造上所引起的限制，所以它在精度与实现上 都较传统数据转换器有很大优势。相对于传统方式的d a c ，由于其成本低、精 度高、易于集成、对平滑滤波器要求低的特点，其应用领域己从传统的高精度音 频处理扩展到高精度测量、数据通信等方面i z 。 2 3 2 过采样d a c 的发展历史和现状 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。2 0 0 3 年，p e t e r 硒s s 和j e s u sa d a s 等人实现了一个基于f p g a 的具有良好稳定性的过采样d a c ，仅 以4 倍的过采样率达到了超过6 0 d b 的信噪比【2 2 1 。目前市场上的音频过采样d a 转换器主要由内插滤波器、一调制器和模拟滤波器等模块构成。其中内插滤 波器的过采样率一般在8 1 2 8 倍之间，调制器的阶数多为三阶至五阶，动态范围 和信噪比大多在9 0 1 1 0 d b 之间。对于高品质的声音输出来说，音频d a c 的性能 仍有进一步提高的需求，这就需要进一步提高音频d a c 中调制器的动态范围及 信噪比，增大信号带宽，增强s d m 的稳定性，同时降低d a c 的面积和功耗， 减少其运算量。 2 3 3 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音频编解码芯片 1 1 v 3 2 0 鲇c 2 3 b 。因为这款芯片采用低功耗设计，各个功能模块均有断开功能， 录放模式下功率消耗小于2 3 m w ；并且拥有1 r i 特有的m i c r 0 s t a rj u n i o r 刑封装方 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 1 6 、2 0 、2 4 、3 2 b i t s ，支持8 k 9 6 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1 0 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 、，3 2 0 越c 2 3 b 是本系统的理想选择1 1 0 j 。 t l 、，3 2 0 a i c 2 3 b 是德州仪器公司推出的一款高性能立体声音频编解码芯片。 北京邮电人学硕十学位论文基丁f p g a 的通川数字化音频处理平台的研究与实现 它具有采用多比特的一技术的模数转换器( a d c ) 与数模转换器( d a c ) ， 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1 6 、2 0 、2 4 、3 2 b i t s ， 支持8 k - 9 6 电的采样率。a d c 的信噪比可达9 0 d b ，d a c 的信噪比可达1 0 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 【3 2 0 触c 2 3 b 是本系统 的理想选择【1 0 1 。 功能特性列举如下【2 3 l ： 1 、高性能立体声编解码器，集成模拟功能； 2 、模数转换器( a d c ) 与数模转换器( d a c ) 使用集成有过采样数字插补 滤波器的一技术； 3 、可选采样率：8 k l z 9 6 l ( i z ； 4 、字长可选：1 6 b i t s 、2 0b i t s 、2 4b i t s 和3 2 b i t s ： 5 、模数转换器( a d c ) 信噪比( s n r ) 达9 0 d b ； 6 、数模转换器( d a c ) 信噪比( s n r ) 达1 0 0 d b ； 7 、核心工作电压( c o r e 、b l t a g e ) ：1 4 2 6 0 v ； 8 、缓冲器和模拟电路部分工作电压：2 7 3 6 v ； 9 、软件控制接口( r e g i s t e rc o n t r o li l l t e 渤c e ) 与t i 的m c b s p 接口兼容的多 协议串行接口：二线协议( 1 2 c ) 、三线协议( s p i ) ； 1 0 、低功耗设计：电源低功耗、关断功能； 1 1 、小面积封装设计：采用德州仪器公司特有的m i c r o s t a rj u n i o ，m 封装方 式，面积只有2 5 m m 2 ； 1 2 、丰富的数据接口( d i 百t a li l l t e r f a c e ) ：1 2 s 、左对齐、右对齐、d s p 模式， 其中d s p 模式与t i 的m c b s p ( m u l t i c h a i l i l e lb u 虢r e ds e r i a lp o n ) 无缝兼容； 1 3 、集成完整的驻积体m