FPGA在語音存儲與回放系統(tǒng)中的應用

  1 引言
    隨著數(shù)字信號處理器、超大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展，語音記錄技術(shù)已從模擬錄音階段過渡到數(shù)字錄音階段。在數(shù)字化錄音技術(shù)中，壓縮后的語音數(shù)據(jù)有些存儲在硬盤中，有些存儲在帶有掉電保護功能的RAM或FLASH存儲器中。筆者介紹的語音存儲與回放系統(tǒng)，未使用專用的語音處理芯片，不需要擴展接口電路，只利用FPGA作為核心控制器，就能完成語音信號的數(shù)字化處理，即實現(xiàn)語音的存儲與回放。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

   數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的基本工作原理是將模擬語音信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A／D)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過控制器控制存儲在存儲器中；回放時，由FPGA控制將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D／A)轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)放大后由揚聲器輸出。本設計方案系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 各部分電路設計

3.1 音頻前置放大器

    聲音通過傳聲器轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(mV級)，必須進行放大才能經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換送入單片機。可采用專用的音頻前置放大器。本系統(tǒng)采用頻帶寬、噪聲低、失真小的NE5534芯片，如圖2所示。

3.2 帶通濾波器(BPF)

   本系統(tǒng)選用有源帶通濾波器，由運算放大器OP07組成。其中心頻率f0=1 kHz，通帶為300 Hz～3.4 kHz。如圖3所示。

3.3 A／D轉(zhuǎn)換器

   帶通濾波器的輸出信號經(jīng)采樣保持(LF398)后送A／D轉(zhuǎn)換電路進行抽樣和量化，將模擬信號轉(zhuǎn)換成8 bit數(shù)字信號。本系統(tǒng)選用AD7820芯片。

     AD7820有2種工作模式，由MODE決定：當MODE接高電平時芯片工作在WR模式下；當接低電平時工作在RD模式下。本系統(tǒng)將芯片設置在WR模式的S-A方式(最簡單的方式)下，即：MODE接高電平，RD和CS持續(xù)接低電平。當WR變低時開始轉(zhuǎn)換，在WR上升沿的700 ns后，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被輸出。

    本系統(tǒng)采樣頻率fs=250 kHz，字長8 bit。 AD7820為高速、微型、單通道A／D轉(zhuǎn)換器，采用逐次比較技術(shù)，轉(zhuǎn)換時間1.36μs，轉(zhuǎn)換范圍0～5 V，使用單電源+5 V供電。逐次比較使用31個比較器，1個高4位ADC和1個低4位ADC，輸入信號被抽樣電路追蹤和保持；有專門ADC輸出接口設計，可與任何端口連接而不需要接口路基電路。所有的數(shù)字信號輸出使用鎖存與三態(tài)緩沖電路，使其可直接與微處理器的數(shù)據(jù)總線和系統(tǒng)的輸入端口相連接。

3.4 D／A轉(zhuǎn)換器

    語音回放需將存儲的數(shù)字信號通過D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成語音模擬信號。本系統(tǒng)選用DAC0808，其為8 bitD／A集成電路芯片，滿量程輸出需要150 ns，用±5 V電壓供電時功耗僅有33 mW。

3.5 FPGA及存儲器

   在一個以FPGA為核心的語音處理系統(tǒng)中，用存儲容量、存儲時間、回放音質(zhì)等指標衡量語音處理系統(tǒng)優(yōu)越性。系統(tǒng)選用FLASH作片外存儲器，實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的數(shù)字錄音和回放，既保證了系統(tǒng)的高性能，又降低了系統(tǒng)成本。三星公司產(chǎn)品K9F1G08UOM具有128 M×8 bit(1 Gbit)存儲容量，采用NAND閃存技術(shù)工藝，工作電壓2.7～3.6 V，功耗低，容量大，數(shù)據(jù)訪問速度高。

    此芯片由8 192個塊(block)組成，每塊由32個頁(page)組成，每頁為512×8 bit。如果需要進行字節(jié)級訪問，128 Mbyte容量需要27根地址線，所以需要4個周期的地址輸入，依次是列地址(A0～A7)、低位行地址(A9～A13)、高位行地址(A14～A26)，其中A8由00h和01h2種命令分別設置為低和高，以分別選擇每頁的前256Byte和后256Byte。如此設計I／O總線目的為：(1)減少芯片的管腳數(shù)量；(2)當系統(tǒng)需要更大容量的芯片時，可維持系統(tǒng)板級設計的一致性。

   系統(tǒng)的A／D采樣速率設置在250 kHz左右，字長8 bit，1 s的語音數(shù)據(jù)需要8 Kbyte的存儲空間，而存儲器容量為128 Mbyte，所以1片可存儲9 min左右的語音數(shù)據(jù)。FPGA與A／D，D／A及存儲器的連接如圖4所示。

4 軟件設計

   在錄音按鍵有效時，首先對FLASH 中的1 024進行塊擦除，然后對FLASH進行寫操作，此時才能往存儲器中寫數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH的頁編程流程圖如圖5所示。

   放音狀態(tài)有一個主要的程序即對FLASH的對操作，圖6為程序編寫流程圖，其中ECC為誤差糾正代碼。另外，程序中通過控制RE的低電平信號頻率來控制輸出數(shù)據(jù)的速率，實際程序中把頻率控制在250 kHz左右，與A／D的采樣頻率相同。

5 結(jié)束語

   系統(tǒng)電路簡單，程序簡潔。采用FLASH存儲器保存語音數(shù)據(jù)，即使斷電仍能保持數(shù)據(jù)不丟失，保存數(shù)據(jù)安全可靠。如果在軟件中增加數(shù)據(jù)壓縮算法，可節(jié)省存儲空間，是一種實用的電路設計方案。