基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波

1、SfisSTG f O i文章編號(hào)：1002-8684（2004）04-0034-03器件與電路基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波黃智勇，揚(yáng)永明，吳勝勇，安敏（重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院電工理論與新技術(shù)系，重慶400044）電路設(shè)計(jì)【摘要】對(duì)傳輸系統(tǒng)中的噪聲和鍵盤的抖動(dòng)進(jìn)行了分析，采用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）來實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的濾除，并且在應(yīng)用于實(shí)際電路中，取得了預(yù)期的效果?！娟P(guān)鍵詞】復(fù)雜可編程邏輯器件；噪聲；濾波【中圖分類號(hào)】TN713+.7【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】BDigitalFilteringBasedonCPLDHuangZhi-yong，YANGYong-ming，WuSheng-yong，AnMin（

2、CollegeofElectiicalEngineeiing，ChonggingUniveisity,Chongging400044，China）【Abstract】Inthisthesiswehaveanalysecthenoiseofthetiansmissionsystemancthetiemblingofthekey-boaic,iealizecthefiltiationofthenoisewithCPLDancachievecexpecteciesultsinthepiacticalciicuits.【KeyWords】CPLD；noise；filtiation1概述在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中

3、，噪聲的處理是個(gè)難度較大的系統(tǒng)，無論是在信號(hào)線中的傳輸過程還是在交換機(jī)中處理的過程，都會(huì)或多或少地引入外界噪聲，這就很容易使交換機(jī)在處理數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)誤操作，因此在處理數(shù)據(jù)前要將語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，即設(shè)計(jì)出一種精確度高，穩(wěn)定性好的數(shù)字濾波電路對(duì)待處理的語音信號(hào)進(jìn)行濾波。整個(gè)數(shù)字濾波結(jié)構(gòu)如圖1所示。問題，信號(hào)源、傳輸線都會(huì)不同程度地引入噪聲，而諸如單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器這些常用器件又都對(duì)噪聲很敏感，這就使系統(tǒng)穩(wěn)定性受到一定影響。對(duì)噪聲的濾除一般有模擬濾波和數(shù)字濾波兩種方法。采用模擬濾波方法，就是采用RC或RL電路，通過調(diào)節(jié)其參數(shù)達(dá)到指標(biāo)要求，在實(shí)際應(yīng)用中如果需要改變?yōu)V波頻帶，則需要通過更換相應(yīng)元件參

4、數(shù)才能達(dá)到要求，而模擬電路本身就很容易受到外界干擾，在設(shè)計(jì)濾波電路的同時(shí)有可能引入更多的噪聲，往往很難達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)。隨著數(shù)字技術(shù)逐漸在電路設(shè)計(jì)中占核心地位，越來越多的開發(fā)者更愿意選擇數(shù)字濾波方法。在數(shù)字化、集成化的今天，各種數(shù)字芯片本身的設(shè)計(jì)都已能很好地屏蔽外界的干擾，因此開發(fā)者只需考慮如何編寫軟件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。用數(shù)字方法設(shè)計(jì)出來的電路調(diào)節(jié)容易，重復(fù)設(shè)計(jì)方便，產(chǎn)品可靠性高，其優(yōu)勢(shì)是模擬電路所不能比的。筆者用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）設(shè)計(jì)數(shù)字濾波電路，在MAX+PLUS!軟件編譯環(huán)境下，用VHDL編寫了核心程序，在設(shè)計(jì)語音教學(xué)系統(tǒng)中分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳輸系統(tǒng)中噪聲的濾除以及對(duì)鍵盤抖動(dòng)的消除。對(duì)

5、任意輸入的帶噪聲信號(hào)，先檢測(cè)該信號(hào)的跳變沿，然后用一高頻時(shí)鐘信號(hào)對(duì)它將要保持的電平狀態(tài)進(jìn)行計(jì)數(shù)。另外要設(shè)定一個(gè)噪聲的最大電平寬度，如認(rèn)為寬度小于1"s的信號(hào)為噪聲，如果用5MHz的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)5次，信號(hào)狀態(tài)不改變，就認(rèn)為它是有用信號(hào)，并將它鎖存；否則為噪聲去掉。實(shí)現(xiàn)如圖2所示。噪聲有正跳變和負(fù)跳變2種形式，圖中HZY_SSY和HZY_XJY分別構(gòu)成正和負(fù)邊沿觸發(fā)器。對(duì)于HZY_SSY，一旦檢測(cè)到信號(hào)的正跳變，!就被置為高電平；同樣，HZY_XJY實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)跳變信號(hào)的檢測(cè)。而!和"的清零將由信號(hào)#實(shí)現(xiàn)。HZY_ZXO5實(shí)現(xiàn)了對(duì)!和"2個(gè)輸入通道的選擇。這里重點(diǎn)對(duì)功能

6、計(jì)數(shù)器進(jìn)行探討，以下是功能計(jì)數(shù)器的VHDL程序描述。libiaiyieee;2信號(hào)傳輸中的噪聲的濾除語音信號(hào)傳送給客戶端，中間要經(jīng)歷復(fù)雜的傳輸#電聲技術(shù)!""#$"#$useieee.stc_logic_ll64.all;useieee.stc_logic_unsignec.all;entityhZy_lbispoit(clk,cli,f,azinstc_logic;C,Zzoutstc_logic);enc;aichitectuielbofhZy_lbissignalacczstc_logic_vectoi(3cownto0);signalmzstc_logic

7、;beginif(cli='0')thenacc<=0000;Z<='0'elsif(clk'eventancclk='l')thenif(f='l')thenif(a=notm)thenif(acc=9)thenZ<='0'acc<=0000;C<=notm;m<=notm;elseacc<=acc+l;Z<='l'encif;elseacc<=0000;encif;elseacc<=0000;Z<='l'e

8、ncif;encif;encpiocess;enc;功能計(jì)數(shù)器在f為高電平時(shí)對(duì)信號(hào)acc進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果a在計(jì)數(shù)l0次后仍能保持初始狀態(tài)，就將a的初始狀態(tài)賦給g。否則就將acc置零，輸出不做任何操作，這樣實(shí)現(xiàn)了對(duì)噪聲的濾除。圖3為傳輸系統(tǒng)濾波的仿真波形。在仿真波形中，clk的時(shí)鐘周期選為250ns，計(jì)數(shù)值為l0，即定義電平寬度小于2.5!s的信號(hào)為噪聲。a為輸入帶有噪聲的信號(hào)，g為濾波后的輸出信號(hào)，z為每次計(jì)數(shù)完成后對(duì)邊緣觸發(fā)器進(jìn)行清零的反饋信號(hào)，仿真波形顯示了在經(jīng)過濾波處理后輸出的信號(hào)g完全濾除了噪聲，它與器件與電路EF STG F O輸入信號(hào)a相比，延遲時(shí)間（除去CPLD芯片內(nèi)部延遲以外）只

9、有2.5!s，也正好是程序中設(shè)定的噪聲的最大寬度，這樣通過修改程序即可滿足設(shè)計(jì)的需要。圖4是程序配置到電路中后用示波器測(cè)出的波形。從實(shí)際波形可以看出對(duì)于傳輸系統(tǒng)中產(chǎn)生的噪聲，電路做到了完全的濾除。輸入信號(hào)濾波后的輸出信號(hào)圖4信號(hào)傳輸中的濾波效果3鍵盤抖動(dòng)噪聲的消除對(duì)于一般的機(jī)械式鍵盤，在操作時(shí)很容易出現(xiàn)在信號(hào)觸發(fā)邊沿抖動(dòng)的現(xiàn)象，如圖5所示。筆者通過鍵盤輸入指令實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸控制，由于鍵盤的靈敏度很關(guān)鍵，抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)造成系統(tǒng)響應(yīng)錯(cuò)誤指令，最終造成數(shù)據(jù)的傳輸錯(cuò)誤，因此必須消除鍵盤抖動(dòng)的干擾。按鍵抖動(dòng)干擾的消除采用了一種更為簡(jiǎn)便的設(shè)計(jì)方法，它在速度以及資源的節(jié)省上有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。筆者的做法是將輸入的按

10、鍵信號(hào)進(jìn)行2次延時(shí)，輸出信號(hào)分別為nl和n2，將nl和n2接入模塊CF進(jìn)行處理，其輸出g即可作為按鍵控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲鐖D6所示。模塊CF的真值表見表l。當(dāng)A=l和B=l時(shí)，代表連續(xù)2次對(duì)按鍵信號(hào)a的采樣都為高電平，說明此時(shí)得到有用信號(hào)，輸出 為l；當(dāng)A=l和B=0，或nl=0和n2=l時(shí)，代表連續(xù)2次采樣，有一次不為高電平，說明這是由于抖動(dòng)引起的跳電聲技術(shù)!""#$"#"SfisSTG f O i器件與電路表lCF的真值表變，模塊不動(dòng)作，輸出O維持原來的狀態(tài)；當(dāng)A=0和B=0的時(shí)候，代表連續(xù)2次采樣值都為0，說明此時(shí)按鍵沒有做任何操作，輸出

11、O為0。以下是采用VHDL對(duì)編程處理過程的描述。libiaiyIEEE;useieee.stc_logic_ll64.all;useieee.stc_unsighec.all;useieee.stc_logic_aiith.all;entitycfispoit(a,b:instc_logic;enc;aichitectuiebeavofcfissignalt:stc_logic;beging<=t;t<='l'when(a='l'ancb='l')elsetwhen(a='l'ancb='0')else

12、twhen(a='0'ancb='l')else'0'when(a='0'ancb='0')else'0'enc;g:outstc_logic);該濾波電路的特點(diǎn)是速度快、延遲小、消耗資源少，總共只耗費(fèi)4個(gè)邏輯單元，這對(duì)于消除鍵盤的抖動(dòng)，防止誤操作，保持按鍵實(shí)時(shí)處理有很好的效果。圖l0為將該程序配置到電路中后用示波器測(cè)出的波形。從實(shí)際測(cè)出的波形可以看出，鍵盤產(chǎn)生的抖動(dòng)得到了完全的消除，而且延遲的時(shí)間也很短，使鍵盤可以做到實(shí)時(shí)控制。輸入信號(hào)輸出信號(hào)對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行仿真，得到如圖7所示波形。從圖7的波形可

13、看出，如果對(duì)模塊CF的輸出不加任何處理而直接進(jìn)行仿真，會(huì)出現(xiàn)頻率極高的抖動(dòng)，這樣的抖動(dòng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸控制同樣會(huì)引起錯(cuò)誤的操作，因此對(duì)電路略做改進(jìn)，如圖8所示，仿真結(jié)果見圖9。由于D觸發(fā)器本身具有對(duì)高頻噪聲的不敏感性，直接在模塊CF的輸出端加了一個(gè)D觸發(fā)器，從仿真波形可以看出，高頻的抖動(dòng)完全消失了，此時(shí)輸出的信號(hào)g可以直接用于電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?。圖l0鍵盤抖動(dòng)的濾除效果4結(jié)論根據(jù)不同噪聲特征，筆者設(shè)計(jì)出了2種數(shù)字濾波電路，節(jié)省了CPLD芯片資源。該設(shè)計(jì)已成功地應(yīng)用于語音教學(xué)系統(tǒng)（國家創(chuàng)新基金項(xiàng)目）中，長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試表明確實(shí)有效地濾除了系統(tǒng)中的噪聲。（下轉(zhuǎn)第!"頁）"電聲技

14、術(shù)!""#$"# W FBATG G別計(jì)算，層1用公式（12XBitrate/Samplerate+Paccing）X32/8，層2和層3用公式1152/8XBitrate/SamplerateSamplerate+Paccing。其中Bitrate是碼率，是采樣率，兩者之比是每個(gè)采樣樣本的比特?cái)?shù)，對(duì)于層1來說每幀有384個(gè)樣本，共分32個(gè)子帶，每個(gè)子帶12個(gè)樣本，層2和層3共有1152個(gè)樣本，Paccing填充字表示數(shù)據(jù)中是否含有附加槽（slot），之后換算成字節(jié)數(shù)就要除以8。為避免誤碼造成幀長(zhǎng)計(jì)算陷入死循環(huán)，文件指針每跳轉(zhuǎn)到新的一幀，都要對(duì)同步字進(jìn)行檢查。如果

15、同步字不正確，那么就跳出循環(huán)，轉(zhuǎn)到尋找下一幀的數(shù)據(jù)塊。這是由于MPEG-1的同步字是12個(gè)1，按照16進(jìn)制表示是FFF，在數(shù)據(jù)塊內(nèi)也可能出現(xiàn)FFF，所以一旦幀長(zhǎng)計(jì)算錯(cuò)誤，之后再尋找新的幀同步字應(yīng)根據(jù)多個(gè)條件加以判斷，而不能僅利用同步字，以防止新的一幀誤判。4.2CRC實(shí)驗(yàn)表明用前述方法對(duì)MPEG-1層2音頻流進(jìn)行校驗(yàn)總是有誤。實(shí)際上ISo/IEC11172-3規(guī)定層2的CrC校驗(yàn)碼是針對(duì)allocationchsb和scfsichsb兩部分?jǐn)?shù)據(jù)。前者表征各子帶的比特分配，后者是各子帶的比例因子選擇信息（scalefactorselectioninforma-tion），用來通知解碼器是否需要以

16、及如何共享比例因子，標(biāo)準(zhǔn)中將各子帶等分為3部分，每個(gè)部分對(duì)應(yīng)于12個(gè)樣本值，它們之間的關(guān)系參看表1。在編碼過程中，當(dāng)allocationchsb為0時(shí)，就不必對(duì)相應(yīng)的scfsichsb再編碼，在11172-3標(biāo)準(zhǔn)中定義，只有當(dāng)allocationchsb不為0的時(shí)候才將scfsichsb編到碼流中，因?yàn)槿绻鸻llocationchsb為0，即它所對(duì)應(yīng)的子帶在碼流中不占用任何字節(jié)，就沒有比例因子，所以scfsichsb就成為冗余，不需要編碼，這樣能夠達(dá)到壓縮碼流的目的，而附錄所列是全都編碼（也就是allocationchsb都不為0）時(shí)，兩者所占用的比特?cái)?shù)，實(shí)際音頻流一般含不同情況，所以出現(xiàn)錯(cuò)誤

17、。因此對(duì)層2音頻流進(jìn)行CrC時(shí)，首先要按附錄3表3-B.2“LAY-ErIIBITALLoCATIoNTABLES”中的比特分配對(duì)allocationchsb作出判斷，有多少個(gè)allocationchsb（上接第36頁）參考文獻(xiàn)1盧毅等.2002.（PLD）原理與應(yīng)用.北京：電2宋俊德等.可編程邏輯器件子工業(yè)出版社，1994.VHDL與數(shù)字電路設(shè)計(jì).北京：科學(xué)出版社2網(wǎng)絡(luò)與多媒體表1各子帶的比例因子選擇信息為0，碼流中就少了多少個(gè)scfsichsb，之后根據(jù)ISo/IEC11172-3附錄3B的表3-B.5中查找得到的總校驗(yàn)位數(shù)減去這些scfsichsb所占用的位數(shù)，就得到被校驗(yàn)的位數(shù)，只對(duì)相

18、應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行CrC。4.3DolbyAC-3音頻幀前5/8的確定AC-3音頻流CrC需確定前5/8幀的長(zhǎng)度，對(duì)此有2種結(jié)果相同的方法。一種是通過整個(gè)幀的長(zhǎng)度來計(jì)算（int（）framelength>>1）+（int）（framelength>>3），用整個(gè)幀長(zhǎng)的1/2取整數(shù)再加上整個(gè)幀長(zhǎng)的1/8取整數(shù)得到），另一種是根據(jù)整個(gè)幀的長(zhǎng)度來查表。該軟件采用第一種方法，實(shí)驗(yàn)證明校驗(yàn)結(jié)果正確。5結(jié)束語重點(diǎn)總結(jié)了編制音頻壓縮碼流分析軟件中遇到的一些問題及其解決方法。實(shí)驗(yàn)表明，該軟件能對(duì)MPEG-1各層和DolbyAC-3音頻流正確進(jìn)行CrC，進(jìn)而提取幀頭部信息，給出分析結(jié)果。該軟件

19、對(duì)研究數(shù)字音頻編碼、檢驗(yàn)音頻流的正確性，有一定的實(shí)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1ISo/IEC11172-3.CocingofMovingPicturesancAs-sociatecAucioforDigitalStorageMeciaatuptoAbout1.5Mbit/sPart3:Aucio.1992.ATSCStancarcDoc.A/52.DigitalAucioCompression（AC-3）.1995.作者簡(jiǎn)介王立，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)閿?shù)字視頻與多媒體技術(shù).李桂苓，教授，博士生導(dǎo)師，從事信號(hào)與信息處理、數(shù)字視頻與多媒體技術(shù)教學(xué)、科研工作.收稿日期2003-11-05!3謝嘉奎.電子線路.北京：高等教育出版社，1999.4林敏等.VHDL數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與高層次綜合.北京：電子工業(yè)出版社，2001.收稿日期2003-11-08!電聲技術(shù)!""#$"#"基于CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次數(shù)：黃智勇， 楊永明， 吳勝勇， 安敏重慶大學(xué),電氣工程學(xué)院