基于FPGA音頻交換混合矩陣的設(shè)計(jì)與仿真分析驗(yàn)證

音頻交換混合矩陣是各種會(huì)議、演播、指揮系統(tǒng)的核心設(shè)備，連接不同的音頻輸入、輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)音頻的交換及混合功能，并實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的控制與調(diào)度。

傳統(tǒng)的音頻矩陣通?；?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，不適合構(gòu)建中大規(guī)模交換矩陣。而且，大多數(shù)矩陣不具備音量調(diào)節(jié)及信號(hào)混合功能，需要配合調(diào)音臺(tái)、信號(hào)混合器設(shè)備使用。

本文提出一種基于FPGA ( Field ProgrammableGate Array)的音頻交換混合矩陣的設(shè)計(jì)方案。該方案以交換技術(shù)原理為基礎(chǔ)，采用數(shù)字音頻信號(hào)采樣及處理技術(shù)，構(gòu)建交換混合矩陣，實(shí)現(xiàn)了16 ×16路音頻信號(hào)的交換、混合;設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)難度小，且可根據(jù)系統(tǒng)需求裁減或增加系統(tǒng)交換容量、設(shè)置音頻信號(hào)采樣精度及采樣速率;每路輸入、輸出信號(hào)的音量可以獨(dú)立進(jìn)行控制;還具有輸入輸出延時(shí)低、信道間隔離度高、音質(zhì)好的特點(diǎn)。

1音頻交換混合矩陣的數(shù)學(xué)模型

1. 1交換系統(tǒng)原理

交換技術(shù)源于電話通信，其基本任務(wù)就是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)各用戶之間信息的端到端的有效傳遞。交換技術(shù)的原理就是通過(guò)設(shè)置好的路徑，將源端的數(shù)據(jù)可控地發(fā)往目的端。

對(duì)于音頻系統(tǒng)，交換即指將音頻信號(hào)從輸入端經(jīng)過(guò)一系列節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端。

1. 2交換混合矩陣數(shù)學(xué)模型

基于2. 1所述交換技術(shù)原理，可構(gòu)建交換系統(tǒng)的一般數(shù)學(xué)模型。將多輸入輸出的交換系統(tǒng)抽象為一個(gè)矩陣P，其輸入和輸出信號(hào)抽象為兩個(gè)向量( x，y) ，交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能就是將輸入向量通過(guò)矩陣的運(yùn)算轉(zhuǎn)換為輸出向量:

其中pij ∈[0， 1 ]，代表輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。n和m 分別代表輸入和輸出信號(hào)個(gè)數(shù)。當(dāng)n = 1時(shí)，該系統(tǒng)為單輸入系統(tǒng);當(dāng)n > 1時(shí)，該系統(tǒng)為多輸入系統(tǒng)。

當(dāng)m = 1時(shí)，該系統(tǒng)為單輸出系統(tǒng);當(dāng)m > 1時(shí)，該系統(tǒng)為多輸出系統(tǒng)。

對(duì)于一個(gè)音頻交換混合系統(tǒng)， pij即代表了某路輸入與某路輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及音量信息。最終，單獨(dú)的某路輸出信號(hào)yj 可以表示為:

本方案的核心技術(shù)，是將多路模擬音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入向量，并構(gòu)建數(shù)字交換混合矩陣，通過(guò)對(duì)矩陣的運(yùn)算得到數(shù)字輸出向量， 并將輸出向量轉(zhuǎn)換為模擬音頻輸出信號(hào)，分配至各輸出端口，最終實(shí)現(xiàn)音頻交換混合矩陣。

在此，設(shè)向量A、B 分別為輸入和輸出音量控制向量，矩陣Q 為控制矩陣，則交換矩陣P變換為:

綜上，構(gòu)建起系統(tǒng)的最終數(shù)學(xué)模型為:

其中qji = 0， 1。

由式(4)可知，第j路輸出的最終結(jié)果yj 為:

2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概述

2. 1系統(tǒng)信號(hào)流程

根據(jù)式( 4)及式( 5) ， 可構(gòu)建出系統(tǒng)信號(hào)流程圖，如圖1所示。

圖1交換混合矩陣系統(tǒng)信號(hào)流程圖。

ai 和bj 由音量控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，數(shù)/模及模/數(shù)轉(zhuǎn)換分別由專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，矩陣Q 和多路加法器由FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)交換容量設(shè)定為16 ×16， 即n = 16， m =16。針對(duì)不同系統(tǒng)需求，可擴(kuò)展或縮減交換容量。

2. 2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)信號(hào)流程圖可知，系統(tǒng)總體的硬件模塊由輸入音量控制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、交換混合矩陣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、輸出音量控制等組成。系統(tǒng)總體硬件模塊框圖如圖2所示。

圖2交換混合矩陣總體硬件模塊結(jié)構(gòu)框圖。

輸入音量控制芯片選用PGA4311，其增益調(diào)節(jié)范圍為31. 5 dB～ - 95. 5 dB。使用SPI總線對(duì)其進(jìn)行控制。

輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用PCM4204，該芯片采用IO接口控制工作模式和參數(shù)。具體設(shè)置方式見(jiàn)文獻(xiàn)。

輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換及音量控制芯片選用PCM1681，工作于從機(jī)方式，使用I2C接口對(duì)其進(jìn)行控制。具體設(shè)置及使用方法見(jiàn)文獻(xiàn)。

通過(guò)對(duì)模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片的設(shè)置，可以根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整數(shù)字音頻信號(hào)的采樣精度及頻率。

本文所述方案實(shí)例的采樣頻率為97. 7 kHz，采樣精度為24 bit，采用左對(duì)齊PCM編碼方式傳輸，其傳輸時(shí)序圖如圖3所示。

圖3PCM編碼傳送時(shí)序(左對(duì)齊)。

2. 3FPGA及其程序設(shè)計(jì)

FPGA內(nèi)部包含串/并轉(zhuǎn)換、交換矩陣、混合、并/串轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘模塊和矩陣控制模塊，其內(nèi)部模塊框圖如圖4 所示。FPGA 選用Altera的EP2C35 芯片，其具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)。

2. 3. 1時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊的功能是為串/并、并/串轉(zhuǎn)換模塊提供統(tǒng)一的全局時(shí)鐘。系統(tǒng)需要的時(shí)鐘信號(hào)有三種，分別是:系統(tǒng)時(shí)鐘( SCK) 、位時(shí)鐘(BCK)和聲道時(shí)鐘(LRCK) ，各時(shí)鐘頻率由采樣頻率( fS )決定:

圖4FPGA內(nèi)部模塊框圖。

本系統(tǒng)中，采樣頻率fS 為97. 7 kHz，通過(guò)一個(gè)50MHz的外部時(shí)鐘信號(hào)分頻產(chǎn)生上述各個(gè)時(shí)鐘。

在模塊內(nèi)建立一個(gè)9 bit累加計(jì)數(shù)器Q，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿完成一個(gè)遞增計(jì)數(shù)， 當(dāng)數(shù)值計(jì)到滿值111111111時(shí)， 在下一個(gè)時(shí)鐘周期將Q 置0。將XCLK、BCK、LRCK輸出分別連接到計(jì)數(shù)輸出的第0、第2和第8位，并將第3 - 第7位合并成另一個(gè)計(jì)數(shù)輸出S_Count，用于控制串- 并和并- 串轉(zhuǎn)換的位計(jì)數(shù)。所以，實(shí)際生成的fSCK為25 MHz， fBCK為6. 25MHz， fLRCK和fS 為97. 7 kHz。

2. 3. 2輸入串/并轉(zhuǎn)換模塊

該模塊負(fù)責(zé)將PCM4204輸入的串行PCM編碼轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，送入交換矩陣模塊進(jìn)行處理。模塊內(nèi)部建立通過(guò)一個(gè)32 bit移位寄存器( S_Buf) ，用來(lái)存儲(chǔ)串行數(shù)據(jù)，根據(jù)聲道時(shí)鐘(LRCK)的動(dòng)作來(lái)控制并行輸出。串/并轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。

圖5串/并轉(zhuǎn)換流程圖。

2. 3. 3矩陣控制模塊

該模塊的功能為:接收外部控制單元的命令，控制矩陣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接操作。FPGA保留10個(gè)GP IO作為使能控制端口，定義為表1。

表1矩陣控制端口定義

模塊的輸出是16組16 bit并行數(shù)據(jù)，形成一個(gè)矩陣表。其中，每組數(shù)據(jù)代表輸出端口，該組中的每個(gè)bit代表對(duì)應(yīng)的輸入端口，表中的元素代表相應(yīng)的輸入與輸出之間的連接關(guān)系， 0表示斷開(kāi)， 1表示連接。

使用時(shí)，先選擇需要進(jìn)行操作的輸入和輸出端口以及操作狀態(tài)，然后向EN輸入高電平，觸發(fā)控制電路進(jìn)行工作，將選擇的輸入與輸出信號(hào)相連接或斷開(kāi)。

2. 3. 4混合模塊

該模塊由數(shù)據(jù)緩沖寄存器(AdderBuf)和加法器(Adder)兩部分組成。數(shù)據(jù)緩沖寄存器讀取控制端口( Sel)的狀態(tài)，然后判斷各個(gè)輸入是否有效，即是否送入到輸出端口。若某輸入端口有效，則將該端口數(shù)據(jù)直接送入加法器;若無(wú)效則送出數(shù)據(jù)0。

2. 3. 5交換矩陣模塊

交換矩陣的工作原理是一個(gè)16轉(zhuǎn)256的分配器，將每一路輸入分配為16路，分別送入每一路輸出的混合模塊中。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6交換矩陣模塊結(jié)構(gòu)圖。

2. 3. 6輸出并/串轉(zhuǎn)換模塊

該模塊負(fù)責(zé)將混合模塊輸出的24 bit并并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PCM1681能夠接收的串行PCM編碼。數(shù)據(jù)傳輸格式與PCM4204相同。模塊內(nèi)部建立一個(gè)24 bit移位寄存器，用來(lái)產(chǎn)生串行輸出，根據(jù)聲道時(shí)鐘(LRCK)的動(dòng)作判斷讀取并行輸入。并/串轉(zhuǎn)換流程如圖7所示。

圖7并/串轉(zhuǎn)換流程圖。

3系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn)

3. 1系統(tǒng)仿真

FPGA總體端口及模塊框圖如圖8所示。

圖8FPGA總體端口及模塊框圖。

由時(shí)鐘輸入端(CLK)輸入50 MHz時(shí)鐘信號(hào);在交換控制端口送入控制信號(hào)，使In_0與Out_0相連， In_1與Out_1相連， ……， In_7與Out_7相連，控制信號(hào)輸入如圖9所示。

圖9控制信號(hào)輸入。

在第一路串行信號(hào)輸入端( In_0)的左聲道輸入時(shí)序輸入16進(jìn)制串行數(shù)據(jù)000000，在右聲道輸入時(shí)序輸入111111;同理，在In_1的左聲道輸入時(shí)序輸入222222，在右聲道輸入時(shí)序輸入333333; ?在In_7的左聲道輸入時(shí)序輸入EEEEEE，在右聲道輸入時(shí)序輸入FFFFFF。串行數(shù)據(jù)輸入如圖10所示。

圖10串行數(shù)據(jù)輸入。

系統(tǒng)的串行輸出端有相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出， Out_0 端左聲道輸出數(shù)據(jù)為000000， 右聲道輸出數(shù)據(jù)為111111，與In_0輸入數(shù)據(jù)一致;Out_1端左聲道輸出數(shù)據(jù)222222，右聲道輸出數(shù)據(jù)333333，與In_1輸入數(shù)據(jù)一致; ?; Out_7 端左聲道輸出數(shù)據(jù)EEEEEE，右聲道輸出數(shù)據(jù)FFFFFF，與In _7 輸入數(shù)據(jù)一致。

串行數(shù)據(jù)輸出如圖11所示。

圖11串行數(shù)據(jù)輸出。

改變控制端口數(shù)據(jù)，使In_1的左聲道輸入(數(shù)據(jù)為222222 ) 與In _ 2 的右聲道輸入(數(shù)據(jù)為555555)與Out_0的左聲道輸出連接。由圖3 - 5可見(jiàn)，Out_0串行數(shù)據(jù)輸出變?yōu)?77777。串行數(shù)據(jù)混合輸出如圖12所示。

由以上仿真結(jié)果可知， FPGA 整體設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)串行數(shù)字音頻信號(hào)的交換與混合，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖12串行數(shù)據(jù)混合輸出。

3. 2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

交換混合矩陣實(shí)物照片如圖13所示。

圖13交換混合矩陣實(shí)物照片

實(shí)物測(cè)試時(shí)，先將交換混合矩陣接入嵌入式控制系統(tǒng)，利用嵌入式控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行控制。采用計(jì)算機(jī)、MP3、便攜式CD 機(jī)、信號(hào)發(fā)生器等播放的音頻信號(hào)作為輸入源，揚(yáng)聲器及耳機(jī)、示波器等作為輸出設(shè)備，測(cè)試交換、混合及音量調(diào)節(jié)功能。經(jīng)*測(cè)試，輸出音頻信號(hào)無(wú)明顯失真。在多路音頻信號(hào)混合輸出時(shí)，仍然可以保證較好的信號(hào)質(zhì)量。輸入輸出延時(shí)的測(cè)量波形如圖14所示，約為620μs。通過(guò)逐點(diǎn)測(cè)量得到幅頻特性曲線如圖15所示，通頻帶為20 Hz～38. 44 kHz。

圖14輸入輸出延遲測(cè)量波形。

圖15幅頻特性曲線。

測(cè)試結(jié)果證明，交換混合矩陣能夠正確接受控制系統(tǒng)的命令，完成音頻信號(hào)的交換、混合及音量調(diào)節(jié)功能。

4結(jié)論

本文針對(duì)音頻交換系統(tǒng)應(yīng)用需求，提出了一種基于FPGA音頻交換混合矩陣的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)闡述及仿真，并完成了實(shí)物制作與測(cè)試。

本文所述方案采用FPGA作為交換混合矩陣的核心器件，因此具有較強(qiáng)的通用性，可根據(jù)實(shí)際需要裁減或增加交換容量、配置音頻信號(hào)采樣頻率及采樣精度等特點(diǎn)。

經(jīng)仿真及實(shí)物測(cè)試，基于FPGA的音頻交換混合矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)音頻信號(hào)的交換、混合及音量調(diào)節(jié)，同時(shí)具有延時(shí)低、隔離度高、音質(zhì)好的特點(diǎn)，可適用于各種會(huì)議、指揮、通信等場(chǎng)合。