基于FPGA的多协议数字音频信号发生方法

基于FPGA的多协议数字音频信号发生方法

作者/宋志刚，中国电子科技集团公司第四+_研究所

摘要：本文设计了一种基于FPGA的数字音频信号发生方法，可以产生S/PDIF和AES/EBU等多种单端或差分数字音频协议信号，应用于音 频分析仪中，可用于对数字音频设备传输特性的测试。关键词：FPGA;数字音频；S/PDIF; AES/EBU

引言

目前，数字音频领域拥有多种不同类型的数字音频接 口，主流的接口标准包括消费类数字音频接口 S/PDIF和专 业类数字音频接口 AES/EBU两个标准。目前的音频分析仪 的数字音频发生和分析功能主要针对S/PDIF接口和AES/

将配置信息发送至FPGA的状态码存储器中存放。FPGA根 据数字音频协议标准对设置参数和输出信号进行编码，输出 信号至DAC。DAC采用四通道高精度数模转换器，可同时 输出单端和差分两种协议信号到信号调理电路中，经増益调 整和单端差分调理电路，最终输出电平满足0~5V范围的设 定数字音频信号。

EBU接口两个标准的信号发生和分析。在测试过程中音频

分析仪产生满足对应数字音频协议标准的数字信号输入到 数字音频接收设备中，以检测数字音频接收设备解码性能。 音频分析仪输出不同逻辑电平的数字信号来测试数字音频 接收设备对电平的兼容能力。

2.FPGA内部流程

FPGA内部处理流程如图2所示。

FPGA主要由状态码存储器、波形生成模块、幅度调整

模块、数据编码模块、时钟分频模块及协议输出模块等六部 分组成。状态码存储器，其与上位机输入连接，用于存储数 字音频编码中的状态码；波形生成模块，用于生成波形数据； 数据编码模块，用于将状态码存储器存储的状态码和波形生 成模块生成波形数据进行协议编码；时钟分频模块，用于 产生协议输出模块所需的位时钟；幅度调整模块，用于对

1.总体方案设计

随着FPGA技术的发展及处理能力的提高，传统数字音 频编码芯片的功能可以完全嵌入到FPGA内部，简化设计电 路，节约硬件成本。相应的，后端电平选择及逻辑电平产生 电路也可以得到简化，其方案原理框图如图1所示。

信号调理电路

上位机—

N

FPGA

—N

■H单端信号1

DAC

输出

-------^

K

V

差分信号|

图1数字音频信号原理框图

该方案主要由上位机、FPGA、DAC及信号调理电路四 部分组成。在上位机软件设置界面中选择数字音频信号的协 议标准，上位机根据设定的协议标准将对应的数字音频协议 编码程序代码动态加载到FPGA中；上位机软件设置界面对 数字音频协议标准中每个帧的每个通道状态码进行配置，并

数据编码模块生成的数据进行幅度调整，存放在临时RAM 存储器中进行存储；协议输出模块，其在时钟分频模块提 供的位时钟的驱动下，依次将幅度调整后的数据传输至数模 转换器。

图2 FPGA内部处理流程图

(下转第6页)

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误差，提高检测精度。

(3)逆向工程设计正在被广泛的应用于汽车、航空、 航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。 以航天航空应用为例因为在这个领域对空气动力学性能要 求很高，在产品开发的开始阶段就要认真考虑空气动力性。 常规的设计流程首先根据工业造型需要设计出结构，制作出 油泥模型之后将其送到风洞实验室去测量空气动力学性能， 然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结 果为止，如此所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。

图1原始数据与扫描数据之间的差异

如何将油泥模型的外形精确地输入计算机成为电子模型，这 就需要采用逆向工程软件。

怎样才能让鼠标器的手感最好，而且经过长时间使用 也不易产生疲劳感却是生产厂商需要认真考虑的问题。因此 微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型并交给使用 者评估，然后根据评估意见对模型直接进行修改，直至修 改到大家都满意为止，最后再将模型数据利用逆向工程软件

(5)生成IGES或STL数据

据此就能进行快速成型或CNC数控加工.IGES数据可 导入一般的CAD三维处理软件中（如:UG，PRO-E等），将

iges格式转化为三维实体模型，再进行进一步的修改和再设

计.另外，也可传给一些CAM系（如:UG，MASTERCAM，

SMART-CAM等），做刀具路径设定，产生NC代码，由数

控机床将实体直接加工出来。

Imageware生成CAD数据。当产品推向市场后，由于外观<新颖、

曲线流畅，再加上手感也很好，符合人体工程学原理，因而 迅速获得用户的广泛认可，产品的市场占有率大幅度上升。

4.逆向工程设计的应用范围以及发展趋势

(1)

可以直接采用逆向工程的方法重构出CAD模型，对损坏的 零件表面进行还原和修补。由于被测零件表面的磨损，损坏 等因素，会造成测量误差，这就要求逆向工程系统具有推理 和判断能力。例如，对称性、标准尺寸、平面间的平行和垂 直等特性。最后，加工出零件。

(2)

损坏或磨损零件的还原：当零件损坏或磨损时，

参考文献

氺[1]武大伟.逆向工程在产品设计中的应用研究.沈阳航空工业 学院.2008.1

氺[2]王学义，刘雪飞.逆向设计法在产品设计中的应用研究[C] 武汉理工大学学报2010.12

氺 [3]于哲峰，张国忠.基于Pro/ENGINEER的汽车车身逆向设计[J]. 数字化模型检测：对加工后的零件进行扫描测量，

再利用逆向工程法构造出CAD模型，通过将该模型与原始 设计的CAD模型在计算机上进行数据比较，可以检测制造

CAD/CAM 与制造业信息化，2007(10):55-56.

氺[4]吴家升，张义力，王军杰逆向工程数据采集方法的研究和展 望机械制造[M]2005-05

(上接第9页）

信号调理电路包括增益调整电路和单端差分调理电路， 增益调整电路，用于对数模转换器输出的信号电平进行增益 调整，单端差分调理电路，用于调理输出音频信号的传输方 式，满足不同音频协议标准的要求。

测被测试设备对逻辑电平的兼容能力。*

参考文献

氺[1]汪波，许卫行.AES/EBU数字音频的参数及测量技术[J].电 声技术；2005⑷:63-65.

* [2]甄占京.数字音频AES/EBU通道状态介绍[J].现代电视技术；

3.结语

(1)

可扩展性好，减少专业数字音频编码芯片，降低了硬件成本；

(2)

采用FPGA动态加载数字音频协议，灵活性高，

2005(3):41-45,

* [3]汪阳，胡军.数字调频调制器AES/EBU音频接口设计探析[J]. 微计算机信息；2008(14):150-151.

采用高精度数模转换器芯片，输出电压线性度好，

精度高，可以实现〇~+5V电压之间任意逻辑电平，便于检

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丨电子制作2017年5月