基于FPGA的音頻信號采集處理系統設計

基于FPGA的音頻信號采集處理系統設計

李佳希 王才敏 北京航天控制儀器研究所通信系統事業部

本文介紹一種基于FPGA的音頻采集處理系統。系統以FPGA器件為控制核心，通過AD/DA控制模塊實現數據采集功能；通過SDRAM控制模塊實現對SDRAM的數據讀寫功能；通過FIR濾波器模塊，實現信號低通濾波處理功能。本設計具有速度快、成本低、體積小等優勢。

FPGA；SDRAM讀寫；FIR濾波

引言

隨著微電子和信號處理技術的發展，數字音頻采集處理技術在眾多領域得到廣泛應用，以FPGA為核心的音頻采集處理系統，在現代數字系統設計中具有廣闊的應用空間。

1.總體設計方案

系統總體設計方案如圖1所示，FPGA為系統的控制核心，負責控制AK4550和SDRAM芯片，使它們能夠按特定的時序工作，并且在需要的時候進行調用，也負責對采樣回來的信號進行濾波處理。AK4550負責對采集的音頻信號進行模數轉換。SDRAM負責數據的存儲。

2.硬件控制模塊

2.1 AD/DA控制模塊

AK4550分別采用兩路模擬信號輸入和輸出，使用簡單靈活。AK4550與FPGA之間通過I2S總線連接，其中MCLK是主時鐘，SCLK是移位時鐘，LRCK是幀時鐘，用于切換左右聲道數據。

AD/DA控制模塊主要由分頻模塊、I2S模塊、系統控制模塊和移位寄存器模塊4部分組成。

分頻模塊：由FPGA的時鐘分頻得到所需要的主時鐘信號MCLK，再由主時鐘分頻得到SCLK和LRCK信號。

I2S模塊：通過分頻得到的MCLK、SCLK和LRCK信號配置AK4550。當LRCK為高電平時，采集16位左聲道數據；反之則采集16位右聲道數據。

圖1 系統結構框圖

圖2 AK4550控制模塊原理圖

系統控制模塊：通過控制PWAD與PWDA來控制AK4550當前的工作狀態，其中高電平代表工作，低電平代表空閑；通過控制DEM0和DEM1來選擇采樣頻率，本設計選擇將DEM0和DEM1同時置高，即采樣頻率選擇為32kHz。

移位寄存器模塊：由于采集的數據為16位，而芯片輸入輸出接口SDTI和SDTO均為1位，故需通過以SCLK為控制時鐘的計數器控制數據的傳輸，每檢測到16個SCLK上升沿信號進行一次數據傳輸。

2.2 SDRAM控制模塊

SDRAM控制模塊除了時鐘分頻、數據接口等部分外，主要由一個狀態機來實現，整個狀態機根據需要設計了8個主要狀態，分別為初始化狀態、空閑狀態、刷新狀態、激活狀態、讀、寫等待狀態、讀狀態和寫狀態，通過時鐘上升沿時刻CS、CAS、RAS、WE的不同組合確定當前狀態。狀態機的工作流程為系統上電，對SDRAM進行初始化之后進入空閑狀態，當收到寫命令時，觸發行激活，進入寫等待狀態，執行寫操作。同理當收到讀命令時，觸發行激活，進入讀等待狀態，執行讀操作。當準備打開新的行時進行預充電，與此同時，每當刷新時間到時，控制模塊進入自刷新狀態。

圖3 SDRAM控制模塊原理圖

如圖3所示，SDRAM控制模塊通過外部RD和WR信號控制SDRAM的讀寫，并通過地址輸入確定數據的內容和存放位置。時鐘分頻模塊將外部晶振提供的時鐘信號CLKIN分頻得到MCLK時鐘信號；接口模塊負責數據接口DATA和SDRAM數據接口DQ之間的通信；狀態機模塊負責在各工作狀態提供相應的CKE、CS、CAS、RAS、WE信號，使SDRAM按照正確的狀態運行。

3.信號處理模塊

在FPGA中實現FIR濾波器，首先要確定濾波器的階數及各階的系數，本設計選擇了16位32階、截止頻率為1kHZ的低通濾波器。濾波器的主體部分由總控制器、加法樹、移位累加器、移位寄存器和位選1×16乘法器5個部分組成。

總控制器：總控制器有接受復位信號、產生位移時鐘、產生運算控制時鐘等功能。濾波器是16位的，再加一個移數時鐘脈沖，總共17個時鐘脈沖周期，所以運算控制時鐘是由一個17進制的計數器產生的。

移位寄存器：在一次序列運算結束后，原先存放x(n+1)的寄存器存入x(n+2)，而原先存放x(n+2)的寄存器存入x(n+3)，以此類推。原先存放x(n)的寄存器存入由AD控制器移位寄存器端口新進來的數據。

位選1×16乘法器：當運算控制時鐘信號到來時，數據h(n）的相應位與x(n)相乘，并把結果送給加法樹。

加法樹：加法樹把所有加數兩個一組分別進行相加，然后將所得到的和值兩個一組繼續相加直到只剩下一個數，即為所有數相加的和。

移位累加器：移位累加器將加法樹得出的結果進行逐個累加。

4.結論

按以上描述設計的基于FPGA的音頻信號采集處理系統經過了FPGA下載驗證，正確配置了AK4550和SDRAM芯片，濾波器運行正常，存儲和播放聲音效果良好，播放無失真。本設計實現了AK4450和SDRAM在FPGA上的應用及FIR濾波器的算法，提出了一種非DSP或單片機應用的做法，提高了系統運行速度，節約了空間和成本。

[1]潘松、王國棟.VHDL實用教程.電子科技大學出版社，2001.7

[2]ALTERA SDR SDRAM Controller White Paper. http://www.altera.com，2002