語音通信電臺(tái)是當(dāng)今軍事指揮、工業(yè)調(diào)度和日常生產(chǎn)活動(dòng)中主要的溝通設(shè)備，其通信質(zhì)量與抗干擾能力將對(duì)國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)產(chǎn)生直接影響。語音電臺(tái)抗干擾客觀評(píng)估系統(tǒng)（以下簡稱評(píng)估系統(tǒng)）通過數(shù)字信號(hào)處理算法比較在發(fā)送電臺(tái)端錄取的標(biāo)準(zhǔn)語音文件與在接收電臺(tái)端錄取的失真語音文件之間的信號(hào)特征，給出語音電臺(tái)的抗干擾性能參數(shù)。由于語音信號(hào)是按照每 20 ms 一個(gè)語片進(jìn)行處理，故對(duì)語音信號(hào)的對(duì)準(zhǔn)提出了較高的要求，為了達(dá)到較高的評(píng)估精度，對(duì)準(zhǔn)誤差應(yīng)小于 1 ms。

為了滿足上述技術(shù)指標(biāo)，本文采用當(dāng)前剛剛興起的 SOPC（System On a Programmable Chip）技術(shù)在 FPGA（Field Programmable Gate Arr ay）平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一種帶有時(shí)標(biāo)的嵌入式語音信號(hào)錄取系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過捕獲 GPS（Global Positioning System）系統(tǒng)的授時(shí)信息和秒脈沖信號(hào)，觸發(fā) SOPC 系統(tǒng)中 NiosⅡ嵌入式軟核處理器進(jìn)入外部中斷，調(diào)用中斷處理函數(shù)啟動(dòng)音頻 Codec 芯片 WM8731，對(duì) Line-in 通道輸入的模擬語音信號(hào)進(jìn)行 48 KSPS 采樣率、16 b 采樣精度的錄取，將觸發(fā)錄取的時(shí)間信號(hào)作為時(shí)標(biāo)與錄取得到的數(shù)據(jù)按照特定數(shù)據(jù)格式進(jìn)行打包和封裝，并利用 FAT 文件系統(tǒng)將封裝好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到 SD 卡（Secure Digital Card）中。由于 GPS 秒脈沖前沿可以達(dá)到微秒級(jí)精度，加之 WM8731 控制接口采用 Verilog 語言編寫，從而保證了絕對(duì)時(shí)間誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 1 ms 的技術(shù)要求。

1、 系統(tǒng)組成

SOPC 是基于可編程邏輯器件的可重構(gòu)片上系統(tǒng)（SOC），它集成了硬核或軟核 CPU、DSP、鎖相環(huán)、存儲(chǔ)器、I／O 接口及可編程邏輯，由于具有設(shè)計(jì)靈活、研制周期短、開發(fā)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步應(yīng)用在通信、工控、信號(hào)處理等諸多領(lǐng)域。

為了給評(píng)估系統(tǒng)提供高精度、帶有時(shí)標(biāo)的語音數(shù)據(jù)源，本文采用 SOPC 技術(shù)在 FPGA 平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套帶有時(shí)標(biāo)的嵌入式語音信號(hào)錄取系統(tǒng)（以下簡稱錄取系統(tǒng)）。錄取系統(tǒng)由片上系統(tǒng)和外圍系統(tǒng)兩部分組成。片上系統(tǒng)包括：NiosⅡ嵌入式軟核處理器、GPS 控制器、SD 卡控制器、SDRAM 控制器、Audio 控制器、Ethernet 控制器、GPIO 控制器以及內(nèi)部 Avalon 總線；外圍系統(tǒng)包括：GPS 接收機(jī) M12MT、SD 存儲(chǔ)卡、SDRAM 存儲(chǔ)芯片、Audio Codec 芯片 WM8731、Ethernet 物理層芯片 DM9000A 和傳輸變壓器以及按鍵和 LED 等輸入與顯示器件等。

2、 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在 FPGA 平臺(tái)上設(shè)計(jì) SOPC 系統(tǒng)為本文的核心工作。FPGA 芯片選擇 Altera 公司 CycloneⅡ系列的 EP2C35F672C6N，其具有 33 216 個(gè)邏輯宏單元、105 個(gè) M4K 存儲(chǔ)單元、4 個(gè)鎖相環(huán)以及 475 個(gè)通用 I／O 口。FPGA 開發(fā)環(huán)境采用 QuartusⅡ，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境采用 SOPC Buildero 由于 Nios Ⅱ嵌人式軟核 CPU、SDRAM 控制器、Ethernet 控制器和 GPIO 控制器都是 SOPC Builder 中集成的通用 IP 核，直接調(diào)用即可，故本文不做詳細(xì)介紹，下面對(duì) GPS 控制器、Audio 控制器和 SD 卡控制器進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2．1 GPS 授時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中所使用 M12MT 是一款 5 V 供電、RS 232 電平 NAEA 0183 格式串行輸出、TTL 電平秒脈沖（PPS）輸出型 GPS 模塊，由于 FPGA 芯片 I／O 口是 3．3 V 電平，故需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，串口電平轉(zhuǎn)換采用美信（Maxim）公司生產(chǎn)的 MAX3232 芯片，秒脈沖信號(hào)由 TI 公司生產(chǎn) SN74AHC1G04 單緩反向器芯片生成。

由于 SOPC Builder 中的 UART 核通信協(xié)議可以與 GPS 串口輸出協(xié)議兼容，故本設(shè)計(jì)中經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換的信號(hào)與片內(nèi) UART 核相連，其參數(shù)設(shè)為：波特率為 9 600b／s、1 個(gè)起始位，1 個(gè)停止位，無校驗(yàn)位。秒脈沖經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后與 PIO 控制器相連，其參數(shù)設(shè)為輸入模式、帶有中斷功能、邊沿觸發(fā)中斷、下降沿觸發(fā)中斷。

2．2 音頻采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了達(dá)到較高的錄音品質(zhì)，本設(shè)計(jì)中選用 Wolfson 公司生產(chǎn)的音頻 Codec 芯片 WM8731，其最高可支持 96 KSPS 采樣率、24 b 采樣精度的立體聲輸入／輸出?？紤]到語音電臺(tái)抗干擾評(píng)估系統(tǒng)的特殊要求和存儲(chǔ)空間、處理速度等條件的限制，本設(shè)計(jì)中通過軟件設(shè)置，使 WM8731 工作在 48 KSPS 采樣率、16 b 采樣精度、單聲道的工作模式下。

WM8731 的控制接口和音頻數(shù)據(jù)接口分別采用 I2C 總線和 I2S 總線，由于控制總線數(shù)據(jù)量較少，加之 I2C 總線時(shí)序比較簡單，故采用程序控制 PIO 模擬 I2C 總線的方式對(duì)其進(jìn)行控制；由于數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)量較大，并且必須保證數(shù)據(jù)的完整性，本設(shè)計(jì)采用 Verilog 硬件描述語言編寫了一個(gè) Audio 控制器，完成采樣控制、數(shù)據(jù)緩存以及與 Avalon 總線接口等功能。

Audio 控制器由有限狀態(tài)機(jī)（FSM）、數(shù)據(jù)緩存器（FIFO）和總線接口三部分組成。FSM 完成 WM8731 數(shù)據(jù)讀寫的控制、FIFO 讀寫與存儲(chǔ)狀態(tài)控制以及總線接口控制。FIFO 用來緩沖 WM8731 采集得到的數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)丟失，并使系統(tǒng)工作在異步模式，大大提高了 CPU 的工作效率。總線接口作為橋梁，用以連接 NiosⅡ和 FIFO。

2．3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，本采集系統(tǒng)選用當(dāng)下比較流行 SD 卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。由于 SD 卡采用的是串行讀寫方式，時(shí)序較為復(fù)雜，且其數(shù)據(jù)量較大，故采用 Verilog 編寫了 SD 控制器。Avalon Interface FSM 與 Avalon 總線相連接，用來完成控制器與 NiosⅡ處理器通信；SD Card Interface 與 SD 卡相連，完成數(shù)據(jù)的串／并轉(zhuǎn)換和時(shí)序控制。

3、 軟件程序設(shè)計(jì)

本采集系統(tǒng)軟件在 Nios EDS 環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，由于程序中只有一個(gè)線程，結(jié)構(gòu)比較簡單，故并未采用操作系統(tǒng)。主程序在完成各個(gè)模塊初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)，GPS 的串口數(shù)據(jù)、PPS 觸發(fā)信號(hào)和按鍵觸發(fā)信號(hào)采用中斷形式，利用中斷服務(wù)子函數(shù)完成各項(xiàng)功能。

3．1 時(shí)間信息的解析

由于 GPS 接收機(jī) M12MT 具有多種數(shù)據(jù)輸出格式，其中時(shí)間格式默認(rèn)為為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，故為了保證數(shù)據(jù)解析的正確性，在系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì) GPS 接收機(jī)進(jìn)行初始化，使其時(shí)區(qū)設(shè)定為 GMT+8，每秒鐘串口輸出一組數(shù)據(jù)，格式采用@@Eq 形式。

由于 UART 控制器每收到 1 個(gè)字節(jié)即產(chǎn)生一個(gè)中斷，故 NiosⅡ處理器首先需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，當(dāng)收到 5 個(gè)字節(jié)后判斷是否是報(bào)頭，如果是報(bào)頭就繼續(xù)接收，否則計(jì)數(shù)器清零并重新進(jìn)行緩沖。在報(bào)頭解析正確后，處理器將所有報(bào)文依次接收并存儲(chǔ)到緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)中的前 18 位即是時(shí)間數(shù)據(jù)，其格式為 mm，dd，yy，hh，mm，ss。

需要特別說明的有兩點(diǎn)：第一，由于每一秒的 PPS 信號(hào)早于串口數(shù)據(jù)的輸出，故處理器需要對(duì)接收到的時(shí)間加 1 s，而后利用下一個(gè) PPS 信號(hào)進(jìn)行觸發(fā)；第二，GPS 接收機(jī)在鎖定 3 顆以上衛(wèi)星時(shí)時(shí)間數(shù)據(jù)才具有可靠性，故需要判斷報(bào)文中的 fix 標(biāo)志位，如果 fix 位是 1，這表明衛(wèi)星已鎖定，時(shí)間信息可靠，PPS 信號(hào)可以作為觸發(fā)信號(hào)。

3．2 采集數(shù)據(jù)的封裝

Audio 控制器輸出的數(shù)據(jù)是按照采樣時(shí)刻先后順序生成的一系列二進(jìn)制數(shù)值點(diǎn)，為了加入起始時(shí)刻的時(shí)間標(biāo)志，同時(shí)便于評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理，本錄取系統(tǒng)對(duì)采樣起始時(shí)刻和采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。首先將采樣數(shù)據(jù)封裝成 WAV 文件格式，加入相應(yīng)的格式標(biāo)志、采樣率、采樣精度、聲道數(shù)、數(shù)據(jù)長度等信息，然后再在 WAV 文件的前面加入二進(jìn)制的時(shí)間信息形成 DAT 格式文件。評(píng)估系統(tǒng)通過 DAT 文件中的時(shí)間信息和 WAV 文件中的采樣率等信息即可計(jì)算出每個(gè)采樣點(diǎn)的絕對(duì)時(shí)間。

3．3 文件系統(tǒng)的引用

為了提高 SD 卡存儲(chǔ)的兼容性，便于通用計(jì)算機(jī)對(duì) SD 卡的寫入和讀取，本錄取系統(tǒng)利用 FAT 文件系統(tǒng)對(duì) SD 卡進(jìn)行讀寫操作。由于處理器中沒有使用操作系統(tǒng)，故需要自己移植文件系統(tǒng)和編寫底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)。

本錄取系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分為 3 層，即硬件描述層（HAL）、功能層和應(yīng)用層。硬件描述層完成 SD 卡檢測、控制命令的寫入、數(shù)據(jù)的讀寫等功能；功能層完成塊數(shù)據(jù)的讀寫、查找、替換等功能；應(yīng)用層完成格式化、文件建立與刪除、文件寫入與讀出等功能。主函數(shù)調(diào)用應(yīng)用層的功能函數(shù)即可完成對(duì) SD 卡的文件操作。

4 、結(jié)論

本文介紹了一種利用 SOPC 技術(shù)在 FPGA 平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)帶有時(shí)標(biāo)的嵌入式語言信號(hào)錄取系統(tǒng)，不但論述了錄取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，而且對(duì) GPS 控制器、Audio 控制器、SD 卡控制器等硬件設(shè)計(jì)和 GPS 時(shí)間解析、采集數(shù)據(jù)的封裝、文件系統(tǒng)的引用等軟件編寫進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證，本錄取系統(tǒng)能夠在 GPS 時(shí)間觸發(fā)下完成語音信號(hào)的錄取，錄取得到的數(shù)據(jù)帶有時(shí)標(biāo)信息，能夠滿足語音電臺(tái)抗干擾客觀評(píng)估系統(tǒng)的技術(shù)要求。

審核編輯 黃昊宇