一、 FPGA 是什么?

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，它是一種電子設備，用于執(zhí)行任何(數(shù)字)邏輯功能或數(shù)字電路的硬件實現(xiàn)。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

FPGA結構主要由基本邏輯單元-可編程邏輯陣列塊(LAB)、可編程輸入輸出單元(I/O)和內(nèi)部連接線(Interconnect)即可編程布線資源等部分構成。

圖 1 FPGA 結構

二、 FPGA的優(yōu)點

1. 設計靈活：屬于硬件可重構的芯片結構，內(nèi)部設置數(shù)量豐富的輸入輸出單元引腳及觸發(fā)器。

2. 兼容性強：FPGA 芯片可與 CMOS、TTL 等大規(guī)模集成電路兼容，協(xié)同完成計算任務。

3. 并行計算：FPGA 內(nèi)部結構可按數(shù)據(jù)包步驟多少搭建相應數(shù)量流水線，不同流水線處理不同數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)流水線并行、數(shù)據(jù)并行功能。

4. 適用性強：是專用電路中開發(fā)周期最短、應用風險最低的器件之一。

5. 快速開發(fā)：FPGA 芯片產(chǎn)品可快速切入應用市場，具備不可替代性。

三、 FPGA 在音頻產(chǎn)品上的應用

1. 數(shù)字信號處理：FPGA 可以用于實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，例如濾波、均衡、壓縮、解壓縮、編碼、解碼等。

2. 數(shù)字音頻接口：FPGA 可以用于實現(xiàn)各種數(shù)字音頻接口，例如 I2S、PCM、AES/EBU 等。這些接口可以用于音頻的輸入和輸出，例如將音頻信號從麥克風或其他音頻設備中采集出來，或將音頻信號輸出到揚聲器或其他音頻設備中

3. 音頻編解碼器：FPGA 可以用于實現(xiàn)各種音頻編解碼器，例如 MP3、AAC、WMA、FLAC 等。這些編解碼器可以用于將音頻信號壓縮和解壓縮，以減小音頻數(shù)據(jù)的大小，從而節(jié)省存儲空間和傳輸帶寬。

4. 數(shù)字音頻放大器：FPGA 可以用于實現(xiàn)數(shù)字音頻放大器，將音頻信號放大到適當?shù)乃?，以驅動揚聲器或其他音頻設備。數(shù)字音頻放大器可以提供更高的效率和更低的失真，從而提高音頻的質量。

四、 應用案例

1. 主動降噪技術與接口擴展

擴展 I2S 接口，滿足智能音箱需要外接 7 個以上麥克風陣列時的應用場景

圖 2 FPGA

方案特性：

實現(xiàn)應用處理器的多路 I2S 接口擴展

實現(xiàn) PDM 信號處理

實現(xiàn)回聲抵消、噪聲抑制和喚醒等聲音處理

低功耗、小封裝、低成本

推薦芯片：京微齊力 HME - HR03

低功耗，高性價比 FPGA

40nm UMC 低功耗工藝 768 到 3072 個 4 輸入查找表(LUT)，采用先進的邏輯結構，精確映射設計

128 位 AES 配置文件密鑰及用戶自定義安全 ID

內(nèi)嵌可配置存儲器，PLL 及片上晶振

用戶可配置 IO，最多可提供 80 對 LVDS IO

多種小封裝可選，最小支持 1.5mm x 1.5mm 封裝

2. 遠程語音識別方案

單芯片完成麥克風陣列的遠場語音消噪、語音增強、語音喚醒等聲音預處理功能，之后 CPU 將處理完的聲音數(shù)據(jù)上傳到云端或本地PC/手機等終端;

圖 3 FPGA 語音處理和上傳

推薦芯片：京微齊力 M7 系列

實現(xiàn)了高性能 ARM Cortex-M3 內(nèi)核與大容量 FPGA 的無縫結合

FPGA 邏輯單元高達 12K

2 個 12 位 1MSPSADC 模塊

豐富的 I/O 資源與封裝，以硬核形式整合以太網(wǎng)、USB、CAN、DMA 控制器以及 DDR 控制器等外設

高精度 PLL 及時鐘網(wǎng)絡

靈活的 DSP

基于 Efuse 和 SPI 的保密機制

超高系統(tǒng)性價比