【正文】 II的硬件部分設(shè)計，其目的是為了定制合適的CPU和外設(shè)，這部分需要在SOPC Builder和Quartus II中完成。傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀、數(shù)字示波器等等，已很難進行直接測試分析，而由于SOPC的設(shè)計是在在可編程邏輯器件中進行的，并且BGA封裝已被大量應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，因此，這對以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)提出更高的要求。它是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），其次它是可編程系統(tǒng)。這種方法常屬于專用處理系統(tǒng)，可以開發(fā)成為擁有獨立系統(tǒng)的產(chǎn)品使用。首先是音質(zhì)，為了生成精確的音頻，除了在音源上進行改進之外，在音頻信號傳輸過程中，對音頻信號的優(yōu)化、處理也是一個重要的研究對象。利用CD發(fā)行數(shù)字音頻，消除了音頻信號格式方面的一個弱點。早期的數(shù)字放大器與模擬音源配合得很好，在某種程度上與數(shù)字音源的配合也不錯，但最多只能生成分辨率為12~。唱片和磁帶開始消失，讓位于光盤(CD)。這樣大手大腳地使用電源根本不適合目前電池供電的產(chǎn)品和外形纖巧的消費電子設(shè)備。第二個問題不太重要，即以幾乎無法承受的價格批量生產(chǎn)晶體管，意味著要大幅放寬這些元件的誤差標準，從而導致信號失真上升或者音質(zhì)下降。20世紀50年代開發(fā)成功的晶體管，代表著音頻放大技術(shù)的巨大飛躍。一般來說，F(xiàn)PGA內(nèi)部是由最小的物理邏輯單位LE、布線網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出模塊與片內(nèi)外設(shè)組成的，而最小物理邏輯單元是指用戶無法修改的、固定的最小單元，設(shè)計者只能將這些單元通過互聯(lián)線將其連接起來，然后實現(xiàn)特定的功能?！彼匀藗冋J為Ross的想法過于脫離現(xiàn)實?；贔PGA器件的音頻信號處理的實現(xiàn)方案,在于對聲音信號的收集、處理及應(yīng)用,工作的重點是在噪聲環(huán)境中如何能有效地地把需要的語音信號提取出來開,消除或者衰減噪聲,這涉及到濾波器的設(shè)計,通過數(shù)字濾波來處理噪聲信號。音頻信號處理技術(shù)包含的內(nèi)容非常多,主要有信號存儲、語音合成、語音識別、音頻壓縮、語音理解、音頻編碼、語音識別、語音增強等多個分支,總而言之,音頻信號處理技術(shù)包括音頻信號的數(shù)字化處理、數(shù)字化實現(xiàn)、數(shù)字化變換、數(shù)字化存儲、數(shù)字化傳播、及音頻的變換、語音的處理、語音的識別等自然科學多個領(lǐng)域的綜合運用。在這些科技產(chǎn)品的快速發(fā)展過程中，數(shù)字音頻技術(shù)在其中扮演著重要的角色?，F(xiàn)在音頻處理技術(shù)的任務(wù)越來越復雜,對信號處理的效果要求不斷提高,音頻處理技術(shù)的算法也越來越復雜，要求在幾十ms甚至幾ms的時間內(nèi)完成音頻信號大量的數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、傳輸,這就對音頻處理系統(tǒng)處理器的運算速度提出了更高的要求。傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器采用乘法和累加結(jié)構(gòu),需要進行多次的乘法和加法運算。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 FPGA的發(fā)展歷程FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。但是Ross預計：根據(jù)摩爾定律（每18個月晶體管密度翻一翻），晶體管肯定會越來越便宜，因此它必將成為未來不可或缺的技術(shù)。一個LE是由觸發(fā)器、LUT與控制邏輯組成的，從而同樣可以實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯。但晶體管技術(shù)至少具有兩個重大缺陷。當時由于使用的是質(zhì)量相對較低的存儲媒體(vinyl和磁帶)、傳輸和接收技術(shù)(AM收音機和VHS電視)也不夠完美，音質(zhì)下降的問題顯得還不是那么明顯和突出，但是現(xiàn)在的情況已全然不同。由于所有的音源都是模擬式的，聽得見的噪聲背景限制了可重復的動態(tài)范圍。市場希望在更小的器件上存儲更多的音樂，這種需求催生出MP3等壓縮技術(shù)，進而需要數(shù)字放大器電路來滿足這些新型媒體。新型的多媒體產(chǎn)品需要全16位的音頻重現(xiàn)，以支持市場所要求環(huán)繞聲、回響和音樂廳效果等越來越多的空間特點。最終很輕便的手持式設(shè)備甚至都可以實現(xiàn)影院級音質(zhì)。音頻信號處理系統(tǒng)要求,音頻信號在通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)/模轉(zhuǎn)換后,要盡可能接近輸入的模擬信號,做到盡量可能少的失真,還要把噪聲盡可能地過濾到,達到完美的語音音質(zhì)。另一種方法是用電腦作為主處理器,掛接幾塊數(shù)字化信號處理板組成數(shù)字化處理系統(tǒng)，主要用于音頻識別、音頻合成等。所謂片上系統(tǒng)，即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；而可編程的優(yōu)越性，使其具有靈活的設(shè)計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。同時，新的調(diào)試技術(shù)也不斷出現(xiàn)，比如如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價廉物美的片內(nèi)實時調(diào)試工具。利用SOPC Builder和Quartus II可以很方便定制Nios II CPU的許多特性或者指令，設(shè)計者可使用Quartus II中自帶的大量IP核來加快開發(fā)速度，提高外設(shè)性能，同時也可以應(yīng)用第三方的IP核來自行定制外設(shè)。這種應(yīng)用是指在FPGA中植入處理器。用戶可依據(jù)設(shè)計要求，運用相應(yīng)的EDA工具，構(gòu)建處理器及外圍設(shè)備，使該SOPC系統(tǒng)在軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、占用的資源、功能特點等方面全方位地滿足客戶系統(tǒng)的設(shè)計要求。 課題研究的內(nèi)容本課題主要研究基于FPGA的音頻處理技術(shù)，利用FPGA器件對音頻處理芯片WM8731進行相關(guān)配置，實現(xiàn)對音頻信號的處理。2 器件介紹 WM8731 WM8731概述WM8731是一款具有低功耗、高品質(zhì)的音頻編碼解碼芯片，其自帶有耳機驅(qū)動，MIC音頻接口，專為便攜數(shù)字音頻應(yīng)用而設(shè)計。它能為用戶提供在單個時鐘源下可獨立編程ADC和DAC的采樣率的獨特能力，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換部件高度集成在芯片內(nèi)部，且其采樣頻率為8KHZ 96KHZ可調(diào)，可轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位長度為16 32位可調(diào)。該芯片的初始化和內(nèi)部功能設(shè)置是以控制接口對其內(nèi)部的這11個寄存器進行相應(yīng)的配置來實現(xiàn)的。圖WM8731原理圖 WM8731控制接口WM8731的控制接口有4根引腳，分別為：MODE(控制接口選擇線)、CSB(片選或地址選擇線)、SDIN(數(shù)據(jù)輸入線)和SCLK(時鐘輸入線)。選擇MODE為0時為2線模式，1時為3線模式。WM8731內(nèi)部有11個寄存器，該芯片的初始化以及工作時的狀態(tài)和功能都是通過I2C總線方式對其內(nèi)部的這11個寄存器進行相應(yīng)的配置來實現(xiàn)的。ADCDAT、/DACDAI和ADCLRC/DACLRC與位時鐘BCIK同步，在每個BCLK的下降沿進行一次傳輸。地址為00001110（上表中0E）的寄存器的第1~0位設(shè)置該模式：該兩位（高位在前）為11時即DSP模式；為10時即I2S模式；01時為左對齊模式；00時為右對齊模式。’為右對齊格式。 3～2位設(shè)置字長：“11”時為32位，“10”為24位，“01”為20位，“0039。圖從模式連接圖數(shù)字音頻從模式時序 FPGA芯片介紹本次課題使用的是基于Altera公司的FPGA芯片cyclone IV EP4C115F29C7，這款芯片功耗低、成本低，有高達114480個Ls，具有更大的容量和極低的單位邏輯單元成本。Cyclone IV EP4C115F29C7芯片器件中的單一硬核 IP 模塊都集成了 1, 2, 或 4 PCIe (PIPE)。用戶可以通過 Quartus II 的 PCI Express Compiler 對模塊進行配置，在整個過程中有 Quartus II 的 PCI Express Compiler 逐步指導用戶完成模塊的配置。具有運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學易用等特點。按鍵key通過FPGA的I/O接口實現(xiàn)聲音的錄取、播放、大小調(diào)節(jié)等。圖WM8731的外圍電路 nios_audio模塊如圖11所示為nios_audio模塊，該模塊基本上可以體現(xiàn)本次設(shè)計硬件部分的內(nèi)容，各個部分共同組成SOPC系統(tǒng)，各個部分分別與相關(guān)外圍設(shè)備連接，通過軟件對系統(tǒng)各部分進行相應(yīng)配置，即可完成對音頻信號的處理。 SOPC Builder生成系統(tǒng)后，可直接使用Nios II IDE設(shè)計C/C++應(yīng)用程序代碼；除了應(yīng)用代碼，用戶還可在Nios II IDE 工程中設(shè)計和重新使用定制庫，大大提高了用戶開發(fā)的效率。僅僅通過一臺PC機、一片Altera的FPGA以及一根JTAG下載電纜，軟件開發(fā)人員就能夠往Nios II 處理器系統(tǒng)寫入程序以及和Nios II處理器系統(tǒng)進行通訊。數(shù)碼管顯示錄音和播放的持續(xù)時間；LCD顯示音頻處理的狀態(tài)；LED用于顯示信號強度。 if (audio_func == MIC_RECORD){ bool bMicBoost。 AUDIO_AdcEnableHighPassFilter(FALSE)。 }else if (audio_func == LINEIN_RECORD){ AUDIO_SetInputSource(SOURCE_LINEIN)。 AUDIO_LineInMute(FALSE)。 AUDIO_MicBoost(FALSE)。 //AUDIO_DacDeemphasisControl(DEEMPHASIS_48K)。 } if (record_sample_rate == 8000) AUDIO_SetSampleRate(RATE_ADC8K_DAC8K)。 else AUDIO_SetSampleRate(RATE_ADC96K_DAC96K)。數(shù)碼管顯示錄音時長。在具體設(shè)計方面，本章接收人機接口各部分的功能，從這里可以看出本次設(shè)計可以說是考慮得相當全面，當然，需要改進的地方也很多。5 總結(jié)與展望本課題主要研究基于FPGA的音頻處理技術(shù)，利用FPGA器件對音頻處理芯片WM8731進行相關(guān)配置，實現(xiàn)對音頻信號的處理。而軟件部分，軟件開發(fā)使用Nios II IDE，它是基于Eclipse IDE的集成開發(fā)環(huán)境，Nios II集成開發(fā)環(huán)境(IDE)是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具。避免了重復開發(fā)，這樣既縮短了設(shè)計周期又降低了設(shè)計成本，可大大提高設(shè)計的效率。首先是課題實施方案的確定，在開始的時候就遇到很大問題，由于沒有一個很好的方案，在處理這個課題的時候困難重重，最終確定下以給予Nios II的SOPC系統(tǒng)進行音頻信號處理后，進過很多努力，大部分的問題都迎刃而解，在這個課題上付出了很多努力，到今天終于將畢業(yè)設(shè)計完成，一這路走來，成長不少。本課題的每一步進展都離不開唐老師的悉心指導和親切關(guān)懷，在論文完成之際，在此再次感謝唐老師耐心培養(yǎng)和教導，使我的分析問題和解決問題的能力得以培養(yǎng)和提高。最后還要深深的感謝我的家人對我的關(guān)懷、鼓勵和支持。 Sons 附錄：源代碼include include include include include include ifdef DEBUG_APP define APP_DEBUG(x) DEBUG(x)else define APP_DEBUG(x)endif//================= internal function prototype amp。bool init_audio(AUDIO_FUNC audio_func)。bool ui_is_dac_zero_cross(void)。 bMicRecord = (IORD(SW_BASE, 0) amp。 bMicBoost = (IORD(SW_BASE, 0) amp。 bZeroCross = (IORD(SW_BASE, 0) amp。 alt_u32 mask。 if (mask == 1) sample_rate = 48000。 return sample_rate。 // 4button IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(KEY_BASE,0)。 // register IRQ if (bSuccess amp。 } return bSuccess。 bMicBoost = ui_is_mic_boost()。 AUDIO_MicBoost(bMicBoost)。 AUDIO_DacEnableSoftMute(TRUE)。 AUDIO_SetLineInVol(0x17, 0x17)。 AUDIO_MicMute(TRUE)。 AUDIO_DacEnableZeroCross(ui_is_dac_zero_cross())。 else if (record_sample_rate == 32000) AUDIO_SetSampleRate(RATE_ADC32K_DAC32K)。 // AUDIO_InterfaceActive(TRUE)。 SEG7_Decimal(time, 0x04)。 sum += (sample = 0)?sample:sample。 sum = 0。 LCD_Open()。 printf(Audio Init Error