基于FPGA的音頻處理芯片的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著數(shù)字技術(shù)日益廣泛的應(yīng)用，以現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）^[1]為代表的ASIC^[2]器件得到了迅速的普及和發(fā)展，器件的集成度和速度都在高速增長(zhǎng)。FPGA既具有門陣列的高邏輯密度和高可靠性，又具有可編程邏輯器件的用戶可編程性，可以減少系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，降低產(chǎn)品成本，縮短設(shè)計(jì)周期。

目前，信號(hào)處理技術(shù)、通信技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅猛發(fā)展都得益于DSP^[3]技術(shù)的廣泛應(yīng)用。但是對(duì)于便攜式和家用的語(yǔ)音系統(tǒng)而言，基于一般的DSP芯片的設(shè)計(jì)方案并不理想。首先DSP的芯片成本以及開發(fā)成本在現(xiàn)階段仍然是比較高的，尤其是芯片成本，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及大批量ASIC芯片成本之低。其次便攜式的設(shè)備對(duì)體積要求十分苛刻，限制了一部分DSP芯片的使用，而體積正是ASIC芯片的優(yōu)點(diǎn)之一。

本文提出了一種基于FPGA的音頻處理芯片的硬件電路實(shí)現(xiàn)方案。由于對(duì)FIR濾波器的算法進(jìn)行了改良，所以很大程度上減小了芯片的體積和降低了芯片的功耗。

2 算法研究與改良

2.1 普通FIR濾波算法

　　　N階FIR濾波器可以用下面的線性卷積表示：^[4]

x(n)是輸入的音頻序列，而y(n)是經(jīng)過濾波后輸出的音頻序列，h(k)是N階濾波器的系數(shù)。

簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法，需要N+1次的乘法和N次的加法。所以至少需要一個(gè)硬件乘法器和一個(gè)定點(diǎn)或者浮點(diǎn)加法器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。由于音頻處理芯片只需要做線性卷積，所以我們不需要采用乘法器的結(jié)構(gòu)。一般來說，由于乘法器龐大的結(jié)構(gòu)，占用了芯片上的大部分面積，消耗用了大部分功率。而不使用乘法器的結(jié)構(gòu)將會(huì)節(jié)約可觀的芯片面積和功耗。為了實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，我們需要改良FIR濾波算法。

2.2 改良濾波算法

首先，將濾波的系數(shù)h(k)用二進(jìn)制表示法(POT，Power of Two)表示：

例如：h(k)=0.1172=2^-3-2^-7-2-16

我們給出7階濾波器的一組系數(shù)，使用POT表示(精度小于10^－4)：

h(0) = 0.3761 = 2-1-2-3+2-10+2-13-2-15

h(1) = 0.3083 = 2-2+2-4-2-8-2-12

h(2) = -0.9424*10-1 = -2-3+2-5-2-11

h(3) = 0.6439*10-1 = 2-4+2-9-2-14

h(4) = -0.3308*10-1 = -2-5-2-9+2-13

h(5) = 0.1663*10-1 = 2-6+2-10+2-15

h(6) = -0.4135*10-2 = -2-8-2-12+2-16

h(7) = 0.1877*10-2 = 2-9-2-14-2-16

n=7時(shí)濾波器的輸出值y如下：

y = (2-1-2-3+2-10+2-13-2-15) * x(7)

+(2-2+2-4-2-8-2-12) * x(6)

+(-2-3+2-5-2-11) * x(5)

+(2-4+2-9-2-14) * x(4)

+(-2-5-2-9+2-13) * x(3)

+(2-6+2-10+2-15) * x(2)

+(-2-8-2-12+2-16) * x(1)

+(2-9-2-14-2-16) * x(0)

很明顯，x(n)的系數(shù)全部都是2的負(fù)k次冪，所以我們可以把具有相同系數(shù)的x(n)合并起來。

y(n)=2-1(...2-1(2-1(2-1u₁+u₂)+u₃)+...)+u₁₆)

uj=xj(1)+ xj(2)+……+ xj(rj)

其中1≤j≤16, xj(i)∈{x(n-k)}, 1≤i≤rj

由前面的系數(shù)，可以得到：

U1 = x(n-6)-x(n-7); U2 = -x(n)+x(n-5);

U3 = -x(n-3)-x(n-7); U4 = x(n)+x(n-4);

U5 = -x(n-1)-x(n-6); U6 = -x(n-2);

U7 = x(n)+x(n-5); U8 = x(n-3)-x(n-4)+x(n-7);

U5 = -x(n-1)-x(n-6); U10 = 0;

U11 = x(n-5); U12 = x(n-2)-x(n-4);

U13 = x(n-1)+x(n-3); U14 = -x(n)-x(n-2);

U15 = x(n-1); U16 = x(n);

按照這個(gè)算法，先求U1的值，然后將結(jié)果右移一位，再將結(jié)果與U2的值相加，依此類推，即可得到y(tǒng)(n)。我們使用若干次加法和16次移位操作即可完成FIR濾波，算法的復(fù)雜度和功耗都大大地降低。

3 音頻處理芯片的設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)概述

在整個(gè)音頻處理芯片的結(jié)構(gòu)中，我們沒有采用任何乘法器，取而代之的是一個(gè)加法器和移位器。加法器的結(jié)果輸出到移位器，移位器的輸出再反饋到加法器的輸入端，循環(huán)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)濾波器的功能。

考慮7階的FIR濾波器，需要對(duì)x進(jìn)行8次采樣，所以輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)該保存在一個(gè)8*16的DataRAM之中（16bit的采樣精度）。系數(shù)RAM（ProgramRAM）的大小取決于操作的個(gè)數(shù)，在上面提到的算法中，一共有28個(gè)操作，所以ProgramRAM的大小不能小于28，在這里我們使用了一個(gè)32*6的ProgramRAM，以滿足算法需要。

考慮到音頻處理芯片的可擴(kuò)展性，我們?cè)谝纛l處理芯片外設(shè)置一個(gè)EEPROM用來存放系數(shù)，當(dāng)芯片啟動(dòng)的時(shí)候，從EEPROM中將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到ProgramRAM中，以適應(yīng)不同F(xiàn)IR濾波器的系數(shù)，極大地增強(qiáng)了音頻處理芯片的可編程性。

音頻處理芯片的模塊主要包括EEPROM, ProgramRAM, DataRAM,串并轉(zhuǎn)換模塊，并串轉(zhuǎn)換模塊，地址生成模塊，主控制器模塊。

3.2 尋址方式描述

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，附加的EEPROM儲(chǔ)存的系統(tǒng)參數(shù)值,包括輸入信號(hào)在DataRAM中的地址值和相應(yīng)的標(biāo)志位(32*6bit) ，依次讀入ProgramRAM中去。

其中，Zero,Sign,Shift分別為操作控制

Zero表示不加任何操作數(shù)

Sign表示加上負(fù)的操作數(shù)

Shift表示移位操作

而Virtual Address表示操作數(shù)的虛擬地址。

Base Address總是指向DataRAM中最早寫入的值所在的地址，也就是x(n-7)的地址，而Virtual Address其他值相對(duì)于x(n-7)的地址，所以可以得出操作數(shù)在DataRAM中實(shí)際的地址：

Physical Address=BaseAddress+VirtualAddress

以y(n)=2-1(...2-1(2-1(2-1u₁+u₂)+u₃)+...)+u₁₆)中的u₁為例

U1 = x(n-6) - x(n-7);

參數(shù)設(shè)置：C1= x(n-6)=000001

C2=-x(n-7)=011000

※最低的三位表示存儲(chǔ)地址

※第4位表示移位標(biāo)志,C2(4)為1表示計(jì)算出U1以后要右移得到2-1* U1

※第5位表示符號(hào)位，控制加減運(yùn)算。C1(5)為0表示加, C2(5)為1表示減

※最高位，也就是第6位在Un=0時(shí)為1，這里只有C19(6)為1

3.3 端口描述

3.4 模塊設(shè)計(jì)

3.4.1 EEPROM ^[5]

·EEPROM用來存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)

·EEPROM是32*6bit的存儲(chǔ)陣列

·EEPROM的輸入是Enable，Address(4 downto 0)

·EEPROM的輸出是CoeffData(5 downto 0)

·EEPROM的首單元存放了操作的個(gè)數(shù)；例如，首單元存放"011100"表示一共有28個(gè)操作。

3.4.2 ProgramRAM ^[6]

·ProgramRAM接收EEPROM中的系統(tǒng)參數(shù)

·ProgramRAM是32*6bit的存儲(chǔ)陣列

·ProgramRAM的輸入是Write，Read，DataIn(5 downto 0)，Address(4 downto 0)

·ProgramRAM的輸出是Zero，Sign，Shift，DataAddr(2 downto 0)

3.4.3串并轉(zhuǎn)換模塊^[7] (Serial2Parallel)

·Serial2Parallel接收來自ADC的串行數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)時(shí)鐘和幀同步信號(hào)

·Serial2Parallel將串行輸入信號(hào)轉(zhuǎn)化為16bit的并行信號(hào)

·Serial2Parallel的輸入是DataClk，DataIn，F(xiàn)rameSync

·Serial2Parallel的輸出是DataOut(15 downto 0),DataOutSync

3.4.4并串轉(zhuǎn)換輸出模塊^[7] (Parallel2Serial)

•Parallel2Serial將并行信號(hào)轉(zhuǎn)化為串行信號(hào)

•Parallel2Serial的輸入是DataIn(15 downto 0)，DataClk，F(xiàn)rameSync

•Parallel2Serial的輸出是DataOut

3.4.5主控制器模塊(Main Controller)

·主控制器模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，它協(xié)調(diào)控制著其他各個(gè)模塊的工作

·主控制器模塊是根據(jù)操作流程圖設(shè)計(jì)的一個(gè)狀態(tài)機(jī)

3.4.6 地址生成模塊(AddressGen)

·PhysicalAddress實(shí)際上是一個(gè)加法器,將VirtualAddress與BaseAddress相加產(chǎn)生讀地址

·BaseAddress實(shí)際上是一個(gè)計(jì)數(shù)器，IncreaseBase信號(hào)控制加1，產(chǎn)生寫地址

·MUX選擇讀地址或者是寫地址到DataRAM

4 音頻處理芯片的仿真

4.1 仿真波形

4.2 仿真結(jié)果

通過程序，對(duì)一組輸入序列進(jìn)行了仿真結(jié)果比較，所獲得的結(jié)果如表1所示。

表1：仿真結(jié)果比較

通過表1可以看出音頻處理芯片達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，效果良好。

可以看到，期望值和仿真結(jié)果在最后一位會(huì)有±1的誤差，這是由于我們采用的移位算法將最后一位移出時(shí)不進(jìn)行四舍五入造成的。經(jīng)過計(jì)算，這種誤差不會(huì)影響FIR的精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的音頻處理芯片主要實(shí)現(xiàn)FIR濾波器功能，可以滿足較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)音信號(hào)處理的需要。用POT系數(shù)表示方法來表示系統(tǒng)參數(shù)，用一個(gè)加法器和一個(gè)移位寄存器實(shí)現(xiàn)乘法器的功能，這樣在面積功耗上就有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。設(shè)計(jì)過程是采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法。最終的仿真結(jié)果符合預(yù)期的要求