AES音頻數據流之間的異步采樣率轉換

　　數字視頻和音頻技術(shù)的廣泛使用和不斷革新，推動(dòng)了音/視頻廣播 (AVB) 設備的快速發(fā)展。今天的 AVB 設備需要更高的圖像質(zhì)量、分辨率、更高的帶寬和更多的音/視頻處理通道，并且需要將從前彼此獨立但實(shí)際上相互關(guān)聯(lián)的功能(例如 HD-SDI、音頻多路傳輸和解復用，以及異步采樣率轉換 (ASRC) )組合在一起。

　　Xilinx FPGA 通過(guò)不斷地將集成度低、復雜且昂貴的ASSP芯片功能組合在一起，來(lái)滿(mǎn)足客戶(hù)對于集成度的需求。利用像 DSP48E 和 block RAM這樣用來(lái) 實(shí)現復雜的濾波功能的芯片特性。ASRC作為一種ASSP芯片實(shí)現的功能，可以被集成到 Xilinx FPGA 中。

　　同樣，免費提供的Xilinx 應用指南和參考設計，同樣可以滿(mǎn)足客戶(hù)對集成復雜算法的需求。ASRC 參考設計正確地處理了同步采樣率轉換和大多數音/視頻產(chǎn)品所需要的更復雜的ASRC。

　　許多ASSP芯片和FPGA IP供應商提供較簡(jiǎn)單的“僅使用同步的”方法，每條音頻通道的資源利用率較小;但是，當應用于異步應用時(shí)，這些方法會(huì )產(chǎn)生下面這些問(wèn)題：

　　延遲的積累導致輸入到輸出延遲的變化

　　音頻中會(huì )產(chǎn)生噪聲，例如漏采樣或重復采樣兩種情況都表現出不希望出現的失真。

　　理解采樣率轉換

　　在深入了解數字采樣率轉換理論之前，先來(lái)看一看音/視頻工程師正在試圖解決的基本問(wèn)題。在少量的應用中，可以使用速率固定的同步轉換，例如使用同樣的時(shí)鐘源，或由輸入時(shí)鐘產(chǎn)生的輸出時(shí)鐘來(lái)將 48kHz 的輸入轉換為 44.1kHz的輸出。但是，更可能出現的情況是異步轉換，輸入和輸出時(shí)鐘是完全獨立的，例如在兩塊電路板之間的音頻通信。不同的時(shí)鐘振蕩器可以有相同的標稱(chēng)頻率，但存在著(zhù)百萬(wàn)分之幾的差別。 Xilinx ASRC 參考設計對于具有獨立輸入和輸出時(shí)鐘的異步應用，提供了兩項重要的而且困難的設計功能：

　　自動(dòng)準確地監視輸入到輸出的采樣率之比和采樣率的變化

　　在線(xiàn)動(dòng)態(tài)調節濾波器函數(濾波器系數)，從而實(shí)現性能最大化

　　使用FPGA來(lái)支持數字音頻ASRC，意味著(zhù)能夠極大地降低系統中每個(gè)SDI 接口的成本，并且，在很多系統中，存在許多通道。

　　Xilinx ASRC IP具有很高的性能，其最差情況下的輸入到輸出信噪比為?125dB。它還能支持多個(gè)音頻輸入頻率到多個(gè)音頻輸出頻率的轉換。采樣率轉換算法能夠在線(xiàn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行調節，以保持最高性能，這樣，設計人員就無(wú)需特別關(guān)注輸入和輸出時(shí)鐘?？梢允褂眠\行在如圖1所示的 Xilinx ML571 串行數字視頻演示板上的 IP 來(lái)驗證所有這些功能。而且，這些廣泛的功能和高性能的 ASRC IP 都是免費的。

　　圖1 ML571板和幀同步演示板使用ASRC來(lái)匹配輸出數字音頻采樣率和輸出數字視頻采樣率

　　采樣率轉換理論

　　圖2顯示了通常情況下上變頻或下變頻的概念。變頻比可以在帶有小數的有理數范圍內連續變化。

　　圖2 用于進(jìn)行采樣率轉換的經(jīng)典數據概念

　　從框圖可以看出，先進(jìn)行上變頻(產(chǎn)生更多的樣本和時(shí)間位置以供選擇)，再進(jìn)行下變頻(選擇輸出數據流中與所希望的樣本位置最符合的樣本)。數據路徑中的抗干擾/抗鋸齒濾波器確保頻譜范圍低于輸入和輸出采樣頻率的奈奎斯特速率的一半。 圖3和圖4顯示，對于每個(gè)輸出采樣位置或輸出相位，都需要一組不同的 子濾波系數，因為相對于輸出相位而言，輸入處于不同位置上。具有一組系數與輸入采樣位置對應的子濾波器，由內插的原型濾波器系數實(shí)現。當子濾波器與相應的輸入樣本進(jìn)行卷積后，將產(chǎn)生所需的輸出樣本。這一過(guò)程會(huì )不斷重復，為每個(gè)輸出樣本插入新的子濾波器系數。

　　圖3 與原始樣本位置相關(guān)的樣本位置顯示了所使用的內插樣本

　　圖4 位于輸出樣本位置中心的原型濾波器

　　在ML571上實(shí)現ASRC的實(shí)例

　　被稱(chēng)為視頻幀同步的簡(jiǎn)單功能，很 好地展示了 ASRC的主要用途。視頻信號能以某一速率被存儲到幀緩存器中，并以另一個(gè)稍微不同的速率被取出。如果視頻設備的兩個(gè)部分之間沒(méi)有被“同步鎖相”，并且工作在不同的像素率下，這一過(guò)程將十分有用。

　　結果是偶爾需要添加或丟棄一幀視頻數據。人眼可能不會(huì )注意到在電視屏幕上添加或丟棄的視頻幀，但人耳卻能很好地發(fā)現在音頻上類(lèi)似的差異。解決方案是在開(kāi)始的視頻數據流中先去除音頻數據，隨后再將其插入到具有微小數據率變化的數據流中，并使輸出 音頻的采樣率與新的輸出視頻的采樣率相匹配。Xilinx ASRC 參考設計十分適合完成這樣的任務(wù)。

　　例如，讓我們將兩塊由不同的時(shí)鐘振蕩器導致的SDI視頻采樣率有微小差別的板卡連接在一起。接收板將嵌入的AES 數字音頻信號從視頻流中分離出來(lái)，并將其送至 ASRC。需要使用幀緩存同步邏輯，通過(guò)添加或丟棄視頻幀，來(lái)處理兩塊板卡間時(shí)鐘頻率的差異。ASRC 調節解嵌的音頻，來(lái)與輸出視頻流的時(shí)鐘速率匹配，使其能被重新嵌入到輸出 SDI 視頻流中。(需要使用幀緩存同步邏輯，通過(guò)添加或丟棄視頻幀，來(lái)處理兩塊板卡間時(shí)鐘頻率的差異。ASRC 調節去嵌入音頻，來(lái)與輸出視頻流的時(shí)鐘速率匹配，使其能被重新嵌入到輸出SDI 視頻流中。)

　　欲獲取更多關(guān)于幀緩存同步技術(shù)和異步采樣率轉換技術(shù)的信息，請參見(jiàn)位于 www.xilinx.com/cn/bvdocs/appnotes/xapp514.pdf 上的XAPP514，“廣播業(yè)的音/視頻連接解決方案”。

　　框圖和性能優(yōu)勢

　　圖5中的簡(jiǎn)單框圖顯示了 ASRC 中所必須的兩個(gè)關(guān)鍵設計部分。第一個(gè)部分用來(lái)確定輸入采樣率和輸出采樣率之間的變化，用“比例控制”標出。第二個(gè)部分“二次采樣器”是一組原型濾波器，按照比例控制所提供的統計數據進(jìn)行變化。

　　圖5 XilinxASRC參考設計的頂層框圖

　　ASRC 參考設計將立體聲音頻從一個(gè)采樣頻率轉換到另一個(gè)采樣頻率。輸入和輸出頻率可以互為任意的比例，或為基于不同時(shí)鐘的同一個(gè)頻率。輸出是輸入的帶寬限制版本，輸入被重新采樣，來(lái)與輸出采樣時(shí)序匹配。參考設計有如下這些特點(diǎn)：

　　全異步工作

　　可擴展至多條通道

　　最差情況下 -125dB 的THD+N，典型情況下 -130dB的 THD+N

　　24位音頻字寬度的輸入和輸出，31位的內部數學(xué)精度和遠離0的進(jìn)位

　　自動(dòng)監視輸入到輸出的采樣率之比，不斷對濾波器進(jìn)行調整

　　連續的有理數/小數比例，上變頻為8:1

　　連續的有理數/小數比例，下變頻為1:7.5

　　具有自適應濾波功能的連續輸入到輸出采樣率監視

　　輸 入/輸出采樣率在8kHx-192kHz連續范圍內

　　更低的確定性延遲

　　參考設計有一個(gè)內插系數的FIR濾波器，它由 Virtex TM -5 中作為主數學(xué)單元的DSP48E和用作輸入采樣緩存和原型存儲的block RAM來(lái)實(shí)現。

　　結論

　　為不同數量數字音頻通道維持不同的輸入到輸出音頻采樣率，并支持新的 AVB功能的需求是一個(gè)巨大的挑戰。從變化的協(xié)議、存儲器管理、不同的負載和不同的系統接口等方面，很容易看到這些設計需要 ASSP 和 ASIC 所無(wú)法提供的高性能和低成本的靈活性。這些挑戰為 Virtex-5 器件創(chuàng )造了機會(huì )，因為這些器件能夠讓設備廠(chǎng)商針對不斷發(fā)展的AVB設備市場(chǎng)創(chuàng )建相應的解決方案。