AC-Link數(shù)字音頻VHDL編解碼的FPGA設計

1、    AC-Link數(shù)字音頻VHDL編/解碼的FPGA設計摘要:提出一種利用FPGA實現(xiàn)AC-Link數(shù)字音頻處理的設計方案.AC-Link音頻編解碼系統(tǒng)以VHDL模塊進行設計,經(jīng)過波形仿真和結果驗證后,將程序下載到FPGA中實現(xiàn)1這種設計方法可以縮短設計周期,提高設計的可靠性和效率。關鍵詞:AC-LinG;音頻編/解碼;FPGA;VHDL0引言數(shù)字音頻處理是指為真實再現(xiàn)聲音的逼真效果而對音頻進行的編解碼處理技術,它是寬帶網(wǎng)絡多媒體、移動多媒體通信的關鍵技術.AudioCodec97(音頻數(shù)字信號編/解碼器)是其中一種用摘要:提出一種利用FPGA實現(xiàn)A

2、C-Link數(shù)字音頻處理的設計方案.AC-Link音頻編解碼系統(tǒng)以VHDL模塊進行設計,經(jīng)過波形仿真和結果驗證后,將程序下載到FPGA中實現(xiàn)1這種設計方法可以縮短設計周期,提高設計的可靠性和效率。關鍵詞:AC-LinG;音頻編/解碼;FPGA;VHDL0引言        數(shù)字音頻處理是指為真實再現(xiàn)聲音的逼真效果而對音頻進行的編解碼處理技術,它是寬帶網(wǎng)絡多媒體、移動多媒體通信的關鍵技術.Audio Codec97(音頻數(shù)字信號編/解碼器)是其中一種用于聲音錄放的技術標準,簡稱AC97. AC97采用雙集成結構,即Digita

3、l Controller(數(shù)字信號控制器)和Audio Codec(音頻編解碼),使模/數(shù)轉換器ADC和數(shù)?模轉換器DAC轉換模塊獨立,盡可能降低EMI(電磁干擾)的影響。        利用FPGA,可以實現(xiàn)復雜的邏輯控制,對大量音頻數(shù)據(jù)做并行處理.FPGA提供可編程時鐘發(fā)生器,滿足音視頻處理要求的時鐘范圍寬、相位抖動(Phase Jitter)小的要求,并為系統(tǒng)提供可控延時。1AC-Link音頻編/解碼原理        AC-Link是連接Digit

4、al Controller和Audio Codec的5線串行時分多路I/O接口,固定時鐘頻率48kHz由串行位時鐘12.288MHz經(jīng)256分頻而來,支持一個控制器和最多4個編碼器. AC-Link只能傳輸48kHz固定取樣率的PCM(脈沖編碼調制)信號,字長從16Bit到20Bit,其它取樣率的PCM信號須經(jīng)過SRC(取樣率轉換)轉換成48kHz。        AC-Link接口時序如圖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,一個輸入或輸出分割成12個時隙,每個時隙為20位采樣分辨率.控制器把12.2

5、88MHz時鐘256分頻,產(chǎn)生一個SYNC信號,此信號用于標志一個輸入(輸出)幀的開始。圖1雙向AC-Link數(shù)據(jù)幀及時隙分配        由圖1可知,每個輸入(輸出)幀除了有12個20位的數(shù)據(jù)/命令(數(shù)據(jù)/狀態(tài))復用時隙外,還有一個特殊的16位的幀首時隙,此時隙主要用來標志此幀是否可用,如果此幀可用,那么此幀中對應時隙中為有效數(shù)據(jù)。         如圖2所示,PCM通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字編碼,PCM編碼是

6、最高保真水平編碼,音質好但體積大.AC-Link能夠傳輸48KHz固定取樣率的PCM信號,字長可以從16Bit到20Bit,其它取樣率的PCM信號必須先經(jīng)過SRC(SampleRate Conversion,取樣率轉換)轉換成48KHz。圖2AC-Link音頻編?解碼過程        如果PCM信號的字長低于DAC的,那么Controller會自動將PCM信號進行移位,使其MSB( Most Significant Bit,最高有效位)對齊,低位補0.如果PCM信號的字長高于DAC的,那么必須先通過Dither(抖動)降低

7、字長后或者直接就經(jīng)過AC-Link接口傳輸?shù)紺odec,如果DAC字長不夠AC-Link接口的高,那么它會自動將AC-Link接口超過字字長的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,還必須經(jīng)過LPF(Low Pass Filter,低通濾波器)濾波整形恢復為原來的音頻信號。2FPGA音頻編/解碼系統(tǒng)結構         FPGA音頻編/解碼系統(tǒng)以ACEX1K和AD1881芯片為核心,如圖3所示。圖3FPGA音頻編/解碼系統(tǒng)圖  

8、;      ACEX1K-FPAG有147個用戶可用I/O,系統(tǒng)門數(shù)最多257000,邏輯門100000.內部有4992個邏輯單元(LE),有12個嵌入式存儲塊(EAB),即49125位雙口RAM.使用EAB構成的RAM、ROM、雙口RAM和FIFO等結構可大大提高基于查找表(LUT)的算術運算、數(shù)字信號處理性能.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。         AD1881是A/D、D/A接口芯

9、片,支持AC97標準接口,實現(xiàn)全雙工16位立體聲的音頻編?解碼,采樣率7K48KHz.系統(tǒng)復位完成FPGA 程序加載后,由FPGA的I2C總線模塊對AD1881初始化,初始化結束后等待采集命令.初始化成功后,AD1881實時處理模擬音頻信號。         用FPGA實現(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轉換,只消耗了30%左右的資源,在具體應用中,有時并不需要校驗位及出錯信號,則占用系統(tǒng)資源更少。3AC-Link音頻編/解碼的VHDL設計 

10、60;       FPGA中的AC音頻編/解碼設計是通過VHDL編程實現(xiàn)的.VHDL是一種應用非常廣泛的硬件描述語言,它的語言覆蓋面廣,描述能力強;可以描述最抽象的系統(tǒng)級,也可以描述最精確的邏輯級、門級. AC-Link系統(tǒng)采用結構化VHDL進行設計的整個系統(tǒng)是一個VHDL語言文件,包括幾個BLOCK語言.下面分別介紹各模塊實現(xiàn)的功能。(1)sreg1.vhd,調用一個并行輸入、串行輸出的模塊,模塊的核心程序如下:if(clkevent and clk=1)then 時鐘下降沿if(s1=0)then S1并行輸入允許tmpreg&

11、lt;=datain;elsefor 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用來為sreg模塊作為并行輸入允許端.該信號在每個時隙的第一個數(shù)據(jù)位時出現(xiàn),在此時,該時隙的數(shù)據(jù)被置入sreg模塊,然后該模塊開始串行移位輸出,以后的各個時隙也按此過程工作。(2)調用并行輸入、串行輸出模塊,設計AC-Link.vhd.AC-Link的D/A轉換控制器向編碼器寫數(shù)據(jù),然后這些數(shù)據(jù)D/A轉換成模擬信號,最后經(jīng)功放輸出程序中對時隙的分配是采用IF_THE

12、N_ELSEIF_THEN_ELSE_ENDIF語句實現(xiàn),當計數(shù)器小于16時是第0時隙,以后每隔20個計數(shù)為一個時隙.使用CASE語句在不同時隙,輸出賦以相應的數(shù)據(jù)。對于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bit_clk的下降沿采樣數(shù)據(jù),同時SYNC保持16個bit_clk周期的高電平。對于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,則在bit_clk的上升沿先把SYNC置高,然后在每一個bit_clk的上升沿發(fā)送一位數(shù)據(jù),SY

13、NC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 bit_clk的下降沿編碼器開始采樣數(shù)據(jù),此后每一個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SYNC也要保持16個bit_clk周期的高電平。下列程序用于產(chǎn)生16個的bit_clk周期的高電平的SYNC信號,SYNC是bit_clk的256分頻,有16個周期是高電平,其余時間是低電平。if(conv_integer(counter)<16)thensync<=1;counter:=counter+1;elsesync<=0;counter:=counter+1;endif;進行VHDL設計時,最好各模塊單獨進行并及時仿真驗證,以便盡早發(fā)現(xiàn)問題.系統(tǒng)中其它模塊在此不再敘述.圖4AC-Link輸出仿真圖        AC-Link接口的仿真圖如圖4所示,實現(xiàn)了其D/A轉換功能,仿真通過以后,可將程序下載到FPGA中實現(xiàn),同時直接與通令機連接起來進行調試,并利用計算機進行調試獲得成功,計算機的通信軟件