AC-Link数字音频VHDL编/解码的FPGA设计 电磁干扰, 转换器, 多媒体, 控制器, 解码器

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　0　引言　　数字音频处理是指为真实再现声音的逼真效果而对音频进行的编解码处理技术,它是宽带网络多媒体、移动多媒体通信的关键技术.Audio Codec′97(音频数字信号编/解码器)是其中一种用于声音录放的技术标准,简称AC′97. AC′97采用双集成结构,即Digital Controller(数字信号控制器)和Audio Codec(音频编解码),使模/数转换器ADC和数?模转换器DAC转换模块独立,尽可能降低EMI(电磁干扰)的影响。
　　利用FPGA,可以实现复杂的逻辑控制,对大量音频数据做并行处理.FPGA提供可编程时钟发生器,满足音视频处理要求的时钟范围宽、相位抖动(Phase Jitter)小的要求,并为系统提供可控延时。
　　1　AC-Link音频编/解码原理
　　AC-Link是连接Digital Controller和Audio Codec的5线串行时分多路I/O接口,固定时钟频率48kHz由串行位时钟12.288MHz经256分频而来,支持一个控制器和最多4个编码器. AC-Link只能传输48kHz固定取样率的PCM(脉冲编码调制)信号,字长从16Bit到20Bit,其它取样率的PCM信号须经过SRC(取样率转换)转换成48kHz。
　　AC-Link接口时序如图1所示,输入输出音频数据和控制寄存器的读写命令组织在一帧里,一个输入或输出分割成12个时隙,每个时隙为20位采样分辨率.控制器把12.288MHz时钟256分频,产生一个SYNC信号,此信号用于标志一个输入(输出)帧的开始。
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图1　双向AC-Link数据帧及时隙分配
　　由图1可知,每个输入(输出)帧除了有12个20位的数据/命令(数据/状态)复用时隙外,还有一个特殊的16位的帧首时隙,此时隙主要用来标志此帧是否可用,如果此帧可用,那么此帧中对应时隙中为有效数据。
　　如图2所示,PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码,PCM编码是最高保真水平编码,音质好但体积大.AC-Link能够传输48KHz固定取样率的PCM信号,字长可以从16Bit到20Bit,其它取样率的PCM信号必须先经过SRC(Sample Rate Conversion,取样率转换)转换成48KHz。
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图2　AC-Link音频编?解码过程
　　如果PCM信号的字长低于DAC的,那么Controller会自动将PCM信号进行移位,使其MSB( Most Significant Bit,最高有效位)对齐,低位补0.如果PCM信号的字长高于DAC的,那么必须先通过Dither(抖动)降低字长后或者直接就经过AC-Link接口传输到Codec,如果DAC字长不够AC-Link接口的高,那么它会自动将AC-Link接口超过字字长的LSBs(Least Significant Bit,最低有效位)去掉.DAC输出的是阶梯状或者是脉冲状信号,还必须经过LPF(Low Pass Filter,低通滤波器)滤波整形恢复为原来的音频信号。
　　2　FPGA音频编/解码系统结构
　　FPGA音频编/解码系统以ACEX1K和AD1881芯片为核心,如图3所示。
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图3　FPGA音频编/解码系统图
　　ACEX1K-FPAG有147个用户可用I/O,系统门数最多257000,逻辑门100000.内部有4992个逻辑单元(LE),有12个嵌入式存储块(EAB),即49125位双口RAM.使用EAB构成的RAM、ROM、双口RAM和FIFO等结构可大大提高基于查找表(LUT)的算术运算、数字信号处理性能.在AC-Link音频编解码系统中,FPGA控制模块根据后向控制流,为音频编码模块提供多路帧同步信号。
　　AD1881是A/D、D/A接口芯片,支持AC′97标准接口,实现全双工16位立体声的音频编?解码,采样率7K～48KHz.系统复位完成FPGA 程序加载后,由FPGA的I2C总线模块对AD1881初始化,初始化结束后等待采集命令.初始化成功后,AD1881实时处理模拟音频信号。
　　用FPGA实现AC-Link声卡的D/A变换功能所需要的资源并不多,用一片ACEX1K100芯片做D/A转换,只消耗了30%左右的资源,在具体应用中,有时并不需要校验位及出错信号,则占用系统资源更少。