音頻精確延時(shí)系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)

摘要：    使用CPLD與音頻專(zhuān)用數(shù)模/模數(shù)集成電路實(shí)現(xiàn)音頻精確延時(shí)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了設(shè)計(jì)思路并給出了系統(tǒng)自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：    CPLD；音頻A/D、D/A；延時(shí)

引言

音頻的時(shí)間延遲傳統(tǒng)上使用延遲線或電荷耦合器件實(shí)現(xiàn)，這在民用設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。最常見(jiàn)的是卡拉OK機(jī)的混響系統(tǒng)，它使用延遲一定時(shí)間的信號(hào)產(chǎn)生回聲的效果。某些專(zhuān)用的BBE器件，如三菱的M58000系列，內(nèi)部采用了數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，內(nèi)置動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，某些芯片可以通過(guò)調(diào)整其時(shí)鐘頻率或有專(zhuān)用引腳調(diào)整延時(shí)量。可調(diào)范圍在數(shù)百毫秒量級(jí)，誤差在毫秒量級(jí)。這些芯片普遍采用較低的采樣速率，僅對(duì)輸入信號(hào)的低頻分量進(jìn)行處理，采樣位數(shù)也多為8位以下。這在一般應(yīng)用中，特別是卡拉OK機(jī)這類(lèi)對(duì)音頻指標(biāo)要求較低的應(yīng)用中完全足夠了。而在“調(diào)頻同步廣播”項(xiàng)目中，涉及多個(gè)發(fā)射臺(tái)干涉區(qū)的準(zhǔn)確同步問(wèn)題，要求延遲量精確到微秒數(shù)量級(jí)并且能依據(jù)兩發(fā)射臺(tái)間的距離做調(diào)整，幾個(gè)微秒的時(shí)延誤差就會(huì)對(duì)干涉區(qū)的收聽(tīng)質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，甚至不能正常收聽(tīng)。并且調(diào)頻廣播對(duì)音質(zhì)有較高的要求，所以設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)必須達(dá)到廣播級(jí)的音頻指標(biāo)，左右聲道的延時(shí)應(yīng)該同步調(diào)節(jié)，以滿足立體聲分離度的要求。很明顯，前述的各類(lèi)現(xiàn)有器件遠(yuǎn)不能滿足需要。

受到新型數(shù)字混響器件原理的啟發(fā)，設(shè)想采用高指標(biāo)的數(shù)模模數(shù)集成電路實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)。隨著數(shù)字集成電路技術(shù)特別是大規(guī)模可編程邏輯器件技術(shù)的發(fā)展，一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)已可以集成在一片可編程芯片上，因此采用CPLD設(shè)計(jì)時(shí)序及邏輯電路是最佳方案，考慮音頻采樣頻率達(dá)到48KHz即可滿足要求，存儲(chǔ)器可以采用通用的RAM，速度在150ns的也可滿足需要。理論及實(shí)踐證明，以上方案是完全可行的。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1  系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)方框圖如圖1。前級(jí)來(lái)的音頻模擬信號(hào)首先進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，由CPLD產(chǎn)生存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)時(shí)序并把音頻數(shù)據(jù)依次存入存儲(chǔ)器中。也由CPLD產(chǎn)生存儲(chǔ)器讀時(shí)序，把數(shù)據(jù)依次讀出并送到D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)成模擬的音頻信號(hào)，經(jīng)低通濾波器輸出。存儲(chǔ)器的地址由一個(gè)循環(huán)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，控制寫(xiě)入和讀出的地址(地址間隔)，就可實(shí)現(xiàn)定量延時(shí)?？紤]到當(dāng)前大部分音頻專(zhuān)用A/D、D/A芯片采用串行數(shù)字接口，特別是在音頻領(lǐng)域占統(tǒng)治地位的Σ-Δ類(lèi)型的芯片，這樣的設(shè)計(jì)應(yīng)由以下幾部分組成：

*串并轉(zhuǎn)換部分，用以把A/D來(lái)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成存儲(chǔ)器RAM的并行數(shù)據(jù)；
*存儲(chǔ)器時(shí)序產(chǎn)生部分，用以產(chǎn)生存儲(chǔ)器的讀和寫(xiě)兩個(gè)地址信號(hào)；
*延時(shí)調(diào)整部分，用DIP撥動(dòng)開(kāi)關(guān)預(yù)置讀和寫(xiě)兩種情況下的地址之差；
*并串轉(zhuǎn)換部分，用來(lái)把RAM的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成D/A需要的標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)流；
*左右聲道校正部分，保證左右聲道讀出的順序；
*晶體振蕩器，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)，保證系統(tǒng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。延時(shí)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性由它保證(使用外頻標(biāo)可以進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確度)；
*一些輔助電路，用來(lái)校正由于門(mén)電路的延遲造成的時(shí)序和邏輯錯(cuò)誤。
  
采用自頂向下，逐步細(xì)化的設(shè)計(jì)方法，頂層用電路示于圖2a和2b。

圖2a  延時(shí)量預(yù)置、RAM地址和左右聲道同步

圖2b  振蕩器、串并轉(zhuǎn)換、RAM接口和和寫(xiě)信號(hào)產(chǎn)生 

選用元件在保證指標(biāo)的前提下盡量降低成本。音頻領(lǐng)域常用的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片有CIRRUS和BURR-BROWN公司的幾種型號(hào)，例如CS4332、PCM1800系列、PCM1700系列等，采樣頻率達(dá)100KHz，16位或24位的產(chǎn)品價(jià)格已降到了一定的水平。此處選用的A/D芯片是Σ-Δ類(lèi)型的PCM1800，D/A芯片是PCM1725，它們都是B-B公司的新產(chǎn)品，可以達(dá)到20位的無(wú)誤碼采樣分辨率，采樣頻率分別是48KHz和96KHz，信噪比和失真指標(biāo)都較高。CPLD器件選用規(guī)模適中，可以ISP在線編程修改的品種，這樣可以加快研發(fā)速度。選用VATIS的MACH4A系列，PLCC封裝，容易小規(guī)模試生產(chǎn)，并有ISP功能，不需專(zhuān)用編程器，通過(guò)串行下載電纜編程，調(diào)試修改都很方便。RAM用一般的100-150納秒的就足夠了。
PCM1800工作于主動(dòng)模式，按照輸入的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并輸出同步時(shí)鐘和數(shù)據(jù)。整個(gè)CPLD電路按照PCM1800輸出的同步時(shí)鐘工作。

首先估算所需邏輯規(guī)模和引腳數(shù)，PCM1800的關(guān)鍵信號(hào)有四個(gè)引腳，D/A的PCM1725同樣需三個(gè)引腳，48KHz采樣頻率時(shí)每個(gè)采樣周期是20.8ms，預(yù)定最大延時(shí)量要達(dá)到80ms左右，外接存儲(chǔ)器需要11位地址線。使用16位分辨率，則存儲(chǔ)器接口部分共需27個(gè)引腳，控制延遲時(shí)間的DIP開(kāi)關(guān)需16位，外加一個(gè)晶體振蕩器需2-3個(gè)引腳，兩片MACH4-64/32之間的邏輯聯(lián)系需四個(gè)引腳，總計(jì)大約57個(gè)引腳，其中有輸出和輸入，以及雙向引腳。需要的資源大致可以用兩片MACH4-64/32或一片MACH4-128完成。單純改變存儲(chǔ)器的讀出地址能達(dá)到的最小延時(shí)調(diào)整步進(jìn)取決于采樣頻率，這里是20.8/2=10.4ms，仍滿足不了最小調(diào)整分辨率的要求。最終系統(tǒng)又加上延時(shí)微調(diào)部分，通過(guò)改變存儲(chǔ)器讀信號(hào)相對(duì)于寫(xiě)信號(hào)的位置，實(shí)現(xiàn)更精確的調(diào)整，完成的系統(tǒng)最小步進(jìn)達(dá)到625ns，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

所有設(shè)計(jì)文件采用原理圖(頂層)和VHDL語(yǔ)言(底層)完成，在LATTICE的ispLEVER軟件下編譯并適配到兩片MACH4-64/32A中，仿真后，下載到器件中去，經(jīng)過(guò)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試并修改某些邏輯后設(shè)計(jì)完成。電路板是事先設(shè)計(jì)好的，MACH器件有強(qiáng)大的布線能力，保證了適配以及實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的成功。
結(jié)語(yǔ)

作為“調(diào)頻同步廣播”項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)之一，音頻精確延時(shí)系統(tǒng)把衛(wèi)星傳輸?shù)囊纛l信號(hào)，在不同接收地點(diǎn)進(jìn)行精確和穩(wěn)定的延時(shí)，補(bǔ)償了由于各發(fā)射臺(tái)經(jīng)緯度不同造成的信號(hào)不同步，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的同步廣播。針對(duì)我國(guó)幅員遼闊，人口分散而頻率資源匱乏的實(shí)際情況，該方案給出了一種較好的廣播覆蓋方法。此系統(tǒng)已用于國(guó)家廣電總局提出的“村村通廣播電視”工程，帶來(lái)了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。推而廣之，通過(guò)增加邏輯規(guī)模和存儲(chǔ)器容量，這種方法也可用于其他需要高質(zhì)量音頻延遲的場(chǎng)合。

參考文獻(xiàn)：
1.  B-B公司1999年產(chǎn)品資料CD-ROM
2.  VANTIS公司1999年產(chǎn)品手冊(cè)