基于FPGA音频信号采集、混音及切换电路设计

2018年4月基于FPGA音频信号采集、混音及切换电路设计倪高红（南京莱斯信息技术股份有限公司，江苏南京210007）

【摘要】音频信号采集是后续处理（编码、压缩、混音等）的先决步骤。本文设计了一个基于FPGA音频信号采集、混音、切换电路。采用硬件描

将FPGA烧写出定制化时序逻辑电路。实现对音频信号采集、数字混音和音频切换的输出。述语言，该电路控制模数转换芯片和数模转换芯片，

与MCU相比较，基于FPGA实现的电路更加简洁、稳定、可靠和高效。

音频切换【关键词】信号采集；数字混音；FPGA；

【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（2018）TN791A1006-422204-0058-03

通信机房或应急通信车装载多种类通信设备院短波尧超短波尧集群车台以及音频设备遥这些设备的音频信号需要接入音频矩阵尧调音台或语音调度台袁进行语音的混音尧切换或语音调度遥因此袁需要研发一种高效的设备袁该设备有能力处理大规模的音频输入与输出以及多种音频处理业务遥很显然袁这样的任务只能由带有大规模I/O口的PFGA来完成遥

1引言EP4CE22F17C8是Altera公司现场可编程逻辑门阵列系列产品袁最多可综合设计60万等效门袁256引脚PBGA封装遥扣除电源引脚尧信号地引脚尧JTAG引脚以及与配置FLASH相连的引脚袁还有多达152个I/O接口遥如此丰富的I/O接口袁非常适合做大规模的A/D转换尧D/A转换袁实现音频的矩阵切换袁数字调音台的混音等功能遥

AD7866是AD公司一款双精度袁双通道12位高速低功耗的模数转换器袁基准电压2.5~5V袁可调袁传输数据的SPI总线时钟最高可达20M袁最高采样率可以达到1MSPS遥

DAC712是TI公司一款双精度尧16位高速并行数模转换器袁电压输出最高可达正负10V遥通过调节基准电压袁输出音频信号可以直接接入音频矩阵或调音台遥

2FPGA芯片EP4CE22F17C8、AD7866以及DAC712芯片的功能简介3系统架构系统由A/D转换电路尧A/D转换缓冲接口电路尧FPGA内部锁相环电路尧FPGA内部数字混音与数字交换矩阵尧D/A转换缓冲接口电路以及D/A转换电路组成遥其中袁FPGA内部电路需要用硬件语言描述袁系统架构如图1遥

inputDOUTA曰//定义一个输入袁绑定FPGA的A12引脚曰inputDOUTB曰//定义一个输入袁绑定FPGA的B10引脚曰OutputRANGE曰//定义一个输出袁绑定FPGA的B11引脚曰OutputCS曰//定义一个输出袁绑定FPGA的C8引脚曰OutputA0曰//定义一个输出袁绑定FPGA的B7引脚曰

Reg[11院0]Result_ad曰//内部定义一个12位寄存器袁用来读取转换遥

4.2A/D缓冲接口电路硬件语言描述

CS院片选与启动转换信号袁低电平有效曰A0院低电平时袁VA1袁VB1有效遥

图2FPGA与AD7866硬件连接电路图

5FPGA与DAC712硬件连接及D/A转换缓冲接口电路硬件语言描述5.1FPGA与DAC712硬件连接的电路渊如图3冤

4FPGA与AD7866硬件连接及A/D转换缓冲接口电路硬件语言描述图2中袁vudioIN1尧vudioIN2尧vudioIN3等为外部音频输入袁缓冲接口电路与AD7866有6根信号线连接院

RANGE院当输入的信号过零点袁需要将RANGE设置为1袁转换结果为补码曰

DOUTA院采样结果A通道串行输出曰DOUTB院采样结果B通道串行输出曰SCLK院时钟输入曰

图1系统架构图

4.1FPGA与AD7866硬件连接电路渊如图2冤

图3FPGA与DAC712硬件连接的电路图

图3中袁OUT_V为音频输出袁缓冲接口电路与AD7866有16根并行数据线和4根使能线相连接遥

5.2D/A转换缓冲接口电路的硬件语言描述

OutputCLR曰//定义一个输出袁清零使能曰OutputWR曰//定义一个输出袁读写使能曰

2018年4月OutputOutputA0A1曰//定义一个输出袁转换输入使能曰Output6同步reg

[15曰院//0]DAC712_DATA定义一个输出袁转曰//换定寄义存一个器使能曰

多路[15院0]DAC712_DATA输出锁相曰//规定为寄存16器位输属性出遥

曰AD7866大规的晶振来实现的模的SPIA/D转换芯片环电路需要大规硬模的件时语言钟袁描用来提述供袁时时钟钟和采不同样步时袁钟不同袁如的果芯片每片采AD7866样后实现都用数各字自混音袁将带来及其复杂的算法遥调用FPGA的IP锁相环内核[1]袁很容易解决这个问题遥

本文中锁相环振荡电路设计成院一个50M的输入袁附加相FPGA移为内0部袁多个将综同合出步20M锁相时环钟电路输出如遥图调用4遥

锁相环IP内核后[1]袁图4FPGA锁相环内核电路

用VerilogHDL语句袁实例化锁相环袁使得该内核的输入与EP_A10输出时钟严格尧绑EP_C9定同步袁遥FPGA且FPGA实省去了锁际大相外量环的内部晶振核引的脚尧使电用CLK_IN容等袁实现了尧EP_A9_IN分立元输尧器出多个件袁简7化了电路设计遥

的硬FPGA件语言内部描数字述混音电路及数字交换矩阵数字混音电路就是在FPGA内部定义多个16位的寄存器袁每个寄存器对应A/D缓冲电路的12位的转换结果寄存器曰数字交换矩阵同样也是定义多个16为的寄存器袁每个寄存器对应D/A缓冲电路的16位的输出寄存器遥

将数字混音的寄存器累加的结果存储在数字交换矩阵寄存器中袁再将交换矩阵的寄存器值输出至D/A缓冲电路输出寄存器reg袁即实现了音频的矩阵切换袁用VerilogHDL描述如下噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎

[15院0]ACC_DATA1曰//定义第1个混音16位寄存器曰院

reg[15院0]ACC_DATA12寄存reg器[15院0]CHANGE_DATA1曰//定曰义//定第义12交个混换矩音阵16第位1寄个存16器位曰噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎曰

位寄reg存[15院0]CHANGE_DATA12曰//定义交换矩阵第12个16和第CHANGE_DATA2器曰

=ACC_DATA1+ACC_DATA12//第5DAC712_DATA5=CHANGE_DATA2//12路混音曰

第1路路将混是显PFGA输出而易见实现曰

音结果交换至的数字混音比传统的模拟电路实现的混音袁优尧电遥模容拟元电路实现的混器件多袁多次调音节袁需要电阻阻运用值集成袁电路运放容加势易法电路[2]袁电阻收到干8FPGA扰袁还有实运放的现A/D温漂尧转零漂换问题过程遥

本文的关键技术和难点袁就是用Verilog硬件语言HDL语描言述正确描述A/D转换过程袁实现对音频数据采集遥首先必须深刻理解芯片厂商提供器件的动作时序图袁AD7866启动转换尧读数据时序如图5遥

CS周期为低电从图5袁DOUT平看数后的出袁CS据线T2一个下降沿袁AD7866开始启动转换遥当上出现的是时刻袁SCLK4为个下无降沿效数袁据此遥后的这3个3个时时钟钟周

通信设计与应用59

图5AD7866启动转换、读数据时序图

期袁实质是AD7866转换时间袁即为启动转换到出现有效数据的转换时间遥在SCLK第4个时钟周期的上升沿袁DOUT数据线上出现的是有效数据DB11曰当SCLK第5个时钟周期的上升SCLK沿袁DOUT有效数第数据线上出现的是有效数据DB10曰以此类推袁当据15DB0个时曰等钟到周第期16的上个升SCLK沿袁DOUT时钟上数升据沿线袁将上出现的是CS拉高袁等待下次的转换遥理解了AD7866的动作时序袁就可以正确设计读取AD7866转换过程的硬件描述语言了遥

定义一个状态序列计数器袁该序列计数器从0~19循环计数袁该计数器触发翻转必须同步SCLK的上升沿袁硬件描述语言如下reg院

[4院0]STATUS_CNT曰//5bit状态序列SCLKalways@同渊posedgeEP_D8冤//锁定EP_D8计数上器升袁沿寄时存袁器EP_D属性与曰ifbegin

步曰

渊STATUS_CNT==19根else据脉STATUS_CNT<=STATUS_CNT+1'b1冤STATUS_CNT<=5'b00000冲的序号袁输出CS=0袁启动AD7866曰

曰转换袁同时读取SPISCLKalways@总线的转渊STATUS_CNT换结果袁Verilog冤//HDL一旦硬计件数描器的述语值言变如下化袁院

同步begin

的上升沿

case5'b00000渊STATUS_CNT5'b00001院5'b00010院CS=0CS=0曰曰////第冤

第01个个脉脉冲冲上上升升沿沿袁袁CS=0CS=0曰曰5'b00011院//院CS=0begin曰CS=0//第曰2个Result_ad脉冲上升沿袁CS=0曰

噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎第3个脉冲上升沿袁CS=0,读取最高位[11]<=EP_A12数据曰

曰end5'b01110//院5'b01111第14个脉begin冲上CS=0升沿袁曰CS=0,Result_ad读取最[0]<=EP_A12低位曰end噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎院CS=1曰//第15个脉冲上升沿袁CS=1

数据曰9结5'b10011论院CS=1曰//第19个脉冲上升沿袁CS=1用FPGA实现的A/D转换袁实质上是根据A/D芯片的时序袁在PFGA内部综合正确的时序逻辑电路曰根据时钟输入尧输ARM出的简洁袁相比节拍高效较袁遥袁锁仅仅不存需要A/D做时考虑程序芯片数据钟这一项指线袁令上的用执DSP行有周效或期数ARM袁据硬遥件与实现描述DSP就语或很言复杂[3]院首先给一个低电平袁调用延时函数袁再给一个高电平袁在确当的语句之间读取数据遥程序设计需要思维缜密袁稍有不慎袁程序出错遥

此外袁FPGA有很多的IP内核可以直接调用袁锁相环电路尧ROM尧RAM尧FLASH尧FIFO尧锁存器尧正旋波发生器等等袁简化了电路设计袁去除不必要的分立元器件袁增强电路抗干扰性和可靠性遥

总之袁MCU与FPGA联合设计是当前电路设计的主流风格袁要成为合格的硬件电子工程师袁理解并熟练掌握FPGA电子电路设计是必要的遥

60通信设计与应用

5G移动通信网络要点技术探讨莫朋机，刘敏辉，莫钦全（广东南方通信建设有限公司）

2018年4月【摘要】这几年来，无线网络通信技术在逐渐的发展，已达到成熟阶段的移动通信系统（4G）技术。所以，第五代移动通信技术（5G）的研

现在，阐述并介绍了5G的概念和性发在每个国家得到了关注。5G技术在中国的研究重点是如何在未来整合和发展现有技术和潜在的新技术。

能，分析了5G移动通信网络的关键技术，有大规模MIMO技术、毫米波通信技术、D2D通信技术和超密集异构网络技术等。最后分析了5G移

为未来5G通信网络的正式发布做准备。动通信网络的发展趋势，

关键技术【关键词】移动通信；5G；

【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（2018）TN929.5A1006-422204-0060-02

绪论目前的我国正处在移动互联网的时代袁该时代信息技术得到快速的发展进步袁对中国移动的通信网络方面带来非常大的活力以及商机遥我国已经推出了2G与3G以及4G的移动网络遥当前袁4G的移动网络变得愈来愈受到大家的欢迎遥为使得未来海量的移动数据信息需求得到满足袁移动数据的网络在朝向5G的移动网络方向迈进遥该文章对5G的移动网络其重要的技术以及发展的趋势进行了详细的分析遥

移动数据网络获得更多用户体验质量遥

2015年袁ITU制定了5G的发展目标袁5G标准制定方面的研究被提上了日程遥在2016年袁我国5G网络预计会达到世界统一的标准遥但是袁当前阶段的标准迫切需要识别如何解决低频尧高频尧移动宽带和物联网应用的标准工作优先级的两个关键问题遥以下为5G网络重要的技术袁涵盖着大规模的MIMO技术与毫米波的通信技术以及D2D的通信工艺还有超密集异构的网络技术遥

大规模的MIMO技术为5G技术当中最为重要技术之一袁还是使得频谱效率得到提升最为关键的技术之一遥这里所说大规模的MIMO技术袁其实也被叫做大型天线的系统袁为于4G的基础之上运用着达到8个以上的天线袁以及多达上百数百甚至数千服务的天线遥这个技术其改革使得基站多用户之间可以将即时的通讯同时实现遥而且于信息的方向上面有着新型的进展以及研究的方向遥还有袁于大规模MIMO的技术当中袁还存有着一些急需进行解决新型的研究情况遥就像是袁怎样使得大量成本较低以及精度较低的构件给集成到一块袁终端怎样将新增加资源给进行相关的分配袁怎样将附加天线来供给服务给开发出来袁还有怎样把内部的功耗给降到总能源的效率遥

当前袁我国的中兴与大唐以及华为等公司已将大规模的MIMO技术方面的测试完成遥大唐其原型是3.5GHz袁以及带宽是100mhz袁其天线数量是256袁他的用户数量是10遥依照最终的测试结果表示袁峰值的传输速率是4Gbps袁为双电流8倍遥得到相当大的海拔遥该技术于我国成功的实验使5G技术于2020年有望获得广泛的运用遥

25G通信网络的关键技术15G移动通信的网络以及特征5G的移动通信方面的应用不仅大大提高了平均网络吞吐量与移动数据的传输速率以及交互游戏多种新兴移动的服务袁并且于人性化的设计这个方面还得到了重大的突破袁使得用户的体验得到提升遥于之前传统移动的通信技术当中袁将使用物理层传输和编码和解码技术遥5G通信的技术将会使得这个技术得到放弃袁对于多用户与多点以及多细胞还有多天线合作网络实施相关的创新以及研究袁以使得整体的性能得到提升遥而且袁5G的移动通信能够使得室内的无线网络方面全覆盖尽量地强化对于高频资源方面的运用袁与无线尧有线尧光学的无线网络以及其他的技术相结合袁让用户更方便地使用

1.25G移动的通信网络方面的特点

5G移动通信的网络为目前社会上面正在积极进行发展网络的工程遥我国电信的运营商袁现在已对5G移动通信的网络方面进行了相关的研究与分析袁为使得5G通信网络得到实现袁应当对技术于网络方面的运用进行相关的分析袁所以袁在将来5G移动通信的市场当中袁得到通信网络现在的状态遥2020年在5G移动通信的技术方面有望实现运行袁其不但使得网络传输的速度得到了提升袁并且还使得网络资源服务的范围获得了拓宽遥5G移动通信的网络工艺使得数据网络运行的条件得到了提升袁也就是说将覆盖的范围以及信号的稳定性给覆盖了遥还将5G的移动通信优势体现了出来袁因此在当前这个时期袁每个电信的运营商以及5G移动的通信网络都正于网络技术之上展开各种科学方面的研究袁使得5G移动的通信网络方面运营的需要得到满足遥

1.15G移动通信的网络技术方面的剖析

2.1大规模的MIMO技术

2.2毫米波的通信技术

毫米波方面的技术以及理论为微波对于高频方面扩展以及光波低频的发展遥当前袁在世界上所运用到频率方面的资源少之又少袁应用无线电的系统频谱于6GHz之下袁但是毫米波的波段渊3~60GHz冤上资源是十分的丰富袁还没有得到十足的应用遥额外天线会对将发射以及接收的信号能量给集成至一

[1]周润景袁姜攀.基于Quartus域的数字系统VerilogHDL设计实例详解渊第二版冤.电子工业出版社.

[2]康华光.电子技术基础模拟部分渊第五版冤.高等教育出版社.[3]顾卫刚.手把手教你学DSP.北京航空航天大学出版社.

参考文献

收稿日期：2018-3-20作者简介：倪高红渊1970-冤袁男袁汉族袁江苏兴化人袁工程师袁硕士袁从事低压配电以及通信工程工作遥