基于FPGA的语音存储与回放系统

2011-04-27 10:29河南大学闫占强

电子世界 2011年9期

河南大学梁勇闫占强

前言

数字化语音存储与回放系统的作用是对声音信号进行存储和回放，并实现数字化控制。能够做到的控制方法有很多，譬如单片机控制、DSP控制、FPGA控制等。本文研究的是基于FPGA控制下的语音存储与回放系统，在该系统中，没有使用专用的语音处理芯片，而是利用FPGA作为核心控制器，完成语音信号的数字化处理，从而实现语音的存储与回放。

1.系统总体结构

图1 数字化语音存储与回放系统示意图

图2 FPGA外部接线

该数字化语音存储与回放系统的基本工作原理是：将麦克风采集到得语音信号经过模拟放大和滤波处理后，通过模数转换器（A／D）转换成数字信号，再通过控制器（FPGA）的控制存储在存储器中；回放时，由控制器（FPGA）将数据从存储器中读出，然后通过数模转换器（D／A）转换成模拟信号，经放大后由扬声器输出。当然，为了实现高质量的音质要求，在AD之前及DA之后，用带通滤波器滤除不必要的噪声，以达到较好的效果。人实际说话的频率范围300～3400Hz，所以滤波器设计在该频道范围。

本设计方案系统总体结构框图如图1所示。

2.主控电路

2.1 FPGA顶层电路

FPGA顶层接线如图2所示。在该设计中clk24m接24MHz晶振；cp接ADC0809模数转换电路；yy[7..0]接HM628128D；res接按键开关，res为0时地址复位；wo接高低电平开关，wo为0时录音为1时放音；dout[7..0]接D/A转换器的数据输入端；wr、read、adr[16..0]接HM628128D；bz接发光指示灯，显示录音或放音工作状态；其余端接ADC0809模数转换电路。

2.2 各部分介绍

分频器1，用来产生存储器所需要的存储时钟；分频器2，用来产生AD芯片所需要的采样时钟。

根据数模转换电路ADC0809的功能实现以及各管脚的具体作用，我们可以对ADC0809进行控制，以实现其数模转换的作用。

AD0809的采样工作时序如图3所示，我们可以根据该时序，画出控制器的时序转换图，如图4所示。

我们用状态机的思想设计该控制器。以下是部分代码。其实现的电路封装后的形式如图2的最下面的芯片。

图3 AD0809采样时序

图4 ADC0809采样状态图

存储芯片HM628128D控制模块为jicunnx。在实际的操作过程中，任何存储芯片对于数据的存储与读取都需要一定的控制信号，这样方能实现数据的存储与读取。为此，我们在FPGA芯片中对于该存储芯片的控制进行了设计。同样用状态机的思想来实现，程序略。

三态门，由于存储芯片HM628128D的数据端是双向端口，输入输出共用，所以FPGA和它连接的时候需要设计三态门，使得在HM628128D进行读操作时，三态门处于高阻状态。其实现的电路封装后的形式如图2的tris1的芯片。

3.电路仿真

控制电路我们使用quartusⅡ自带的仿真工具进行验证。

3.1 分频器的仿真

对于分频器电路来说，我们可以通过quartusⅡ自带的仿真软件进行仿真，由于分频器1和分频器2完全相同，可以对任意一个进行仿真即可，对分频器1的仿真结果如图5所示。

该设计所使用的分频器为48分频，由图5可以看出该设计达到了要求。

3.2 模数转换电路ADC0809控制模块的仿真

由该图（图中信号从上到下依次为：ale，clk，din[7..0]，dout[7..0]，eoc，oe，start）可以看出，在clk下降沿时刻，当eoc为高电平时，就将din[7..0]的数据传送给dout[7..0]，ale与start则周期性的出现（由于输入eoc的周期出现）。从而实现信号转换的开始与锁存。

3.3 三态门电路的仿真

该三态门所能实现的功能是：当写入时，wr=0，read=1，tris1为打开状态，DIN[7..0]通过输出YY[7..0]写入芯片HM628128D，当读出时，wr=1，read=0，此时，trish高阻状态，由芯片HM628128D读出数据，DON[7..0]通过DOU[7..0]送到DAC0800中。该三态门实现8位数据的传输。其仿真结果如图7所示。