音频延时系统及其实现

摘要：使用CPLD与音频专用数模/模数集成电路实现音频延时系统，详细阐述了设计思路并给出了系统自顶向下的设计过程。
关键词：CPLD；音频A/D、D/A；延时

引言

    音频的时间延迟传统上使用延迟线或电荷耦合器件实现，这在民用设备中有着广泛的应用。常见的是卡拉OK机的混响系统，它使用延迟一定时间的信号产生回声的效果。某些专用的BBE器件，如三菱的M58000系列，内部采用了数模和模数转换技术，内置动态RAM存储数据，某些芯片可以通过调整其时钟频率或有专用引脚调整延时量。可调范围在数百毫秒量级，误差在毫秒量级。这些芯片普遍采用较低的采样速率，仅对输入信号的低频分量进行处理，采样位数也多为8位以下。这在一般应用中，特别是卡拉OK机这类对音频指标要求较低的应用中完全足够了。而在“调频同步广播”项目中，涉及多个发射台干涉区的准确同步问题，要求延迟量到微秒数量级并且能依据两发射台间的距离做调整，几个微秒的时延误差就会对干涉区的收听质量产生很大的影响，甚至不能正常收听。并且调频广播对音质有较高的要求，所以设计出来的系统必须达到广播级的音频指标，左右声道的延时应该同步调节，以满足立体声分离度的要求。很明显，前述的各类现有器件远不能满足需要。

    受到新型数字混响器件原理的启发，设想采用高指标的数模模数集成电路实现这样一个系统。随着数字集成电路技术特别是大规模可编程逻辑器件技术的发展，一个数字系统已可以集成在一片可编程芯片上，因此采用CPLD设计时序及逻辑电路是方案，考虑音频采样频率达到48KHz即可满足要求，存储器可以采用通用的RAM，速度在150ns的也可满足需要。理论及实践证明，以上方案是完全可行的。

系统设计

   

      系统框图

    系统方框图如。前级来的音频模拟信号首先进入A/D转换器变成数字信号，由CPLD产生存储器的读写时序并把音频数据依次存入存储器中。也由CPLD产生存储器读时序，把数据依次读出并送到D/A转换器恢复成模拟的音频信号，经低通滤波器输出。存储器的地址由一个循环计数器产生，控制写入和读出的地址(地址间隔)，就可实现定量延时。考虑到当前大部分音频专用A/D、D/A芯片采用串行数字接口，特别是在音频领域占统治地位的Σ-Δ类型的芯片，这样的设计应由以下几部分组成：

    *串并转换部分，用以把A/D来的串行数据转变成存储器RAM的并行数据；
    *存储器时序产生部分，用以产生存储器的读和写两个地址信号；
    *延时调整部分，用DIP拨动开关预置读和写两种情况下的地址之差；
    *并串转换部分，用来把RAM的数据转换成D/A需要的标准串行数据流；
    *左右声道校正部分，保证左右声道读出的顺序；
    *晶体振荡器，产生系统所需的时钟信号，保证系统时钟的准确和稳定。延时量的准确性和稳定性由它保证(使用外频标可以进一步提高其准确度)；
    *一些辅助电路，用来校正由于门电路的延迟造成的时序和逻辑错误。
  
    采用自顶向下，逐步细化的设计方法，顶层用电路示于a和2b。

   

    a  延时量预置、RAM地址和左右声道同步

   

    b  振荡器、串并转换、RAM接口和和写信号产生

    选用元件在保证指标的前提下尽量降低成本。音频领域常用的数模和模数转换芯片有CIRRUS和BURR-BROWN公司的几种型号，例如CS4332、PCM1800系列、PCM1700系列等，采样频率达100KHz，16位或24位的产品价格已降到了一定的水平。此处选用的A/D芯片是Σ-Δ类型的PCM1800，D/A芯片是PCM1725，它们都是B-B公司的新产品，可以达到20位的无误码采样分辨率，采样频率分别是48KHz和96KHz，信噪比和失真指标都较高。CPLD器件选用规模适中，可以ISP在线编程修改的品种，这样可以加快研发速度。选用VATIS的MACH4A系列，PLCC封装，容易小规模试生产，并有ISP功能，不需专用编程器，通过串行电缆编程，调试修改都很方便。RAM用一般的100-150纳秒的就足够了。
 
    PCM1800工作于主动模式，按照输入的时钟信号进行A/D转换并输出同步时钟和数据。整个CPLD电路按照PCM1800输出的同步时钟工作。

    首先估算所需逻辑规模和引脚数，PCM1800的关键信号有四个引脚，D/A的PCM1725同样需三个引脚，48KHz采样频率时每个采样周期是20.8ms，预定延时量要达到80ms左右，外接存储器需要11位地址线。使用16位分辨率，则存储器接口部分共需27个引脚，控制延迟时间的DIP开关需16位，外加一个晶体振荡器需2-3个引脚，两片MACH4-64/32之间的逻辑联系需四个引脚，总计大约57个引脚，其中有输出和输入，以及双向引脚。需要的资源大致可以用两片MACH4-64/32或一片MACH4-128完成。单纯改变存储器的读出地址能达到的延时调整步进取决于采样频率，这里是20.8/2=10.4ms，仍满足不了调整分辨率的要求。终系统又加上延时微调部分，通过改变存储器读信号相对于写信号的位置，实现更的调整，完成的系统步进达到625ns，达到了设计要求。

    所有设计文件采用原理图(顶层)和VHDL语言(底层)完成，在LATTICE的ispLEVER软件下编译并适配到两片MACH4-64/32A中，仿真后，到器件中去，经过实际系统测试并修改某些逻辑后设计完成。电路板是事先设计好的，MACH器件有强大的布线能力，保证了适配以及实际系统运行的成功。

结语

    作为“调频同步广播”项目的关键技术之一，音频延时系统把卫星传输的音频信号，在不同接收地点进行和稳定的延时，补偿了由于各发射台经纬度不同造成的信号不同步，实现了真正意义上的同步广播。针对我国幅员辽阔，人口分散而频率资源匮乏的实际情况，该方案给出了一种较好的广播覆盖方法。此系统已用于国家广电总局提出的“村村通广播电视”工程，带来了良好的社会效益和经济效益。推而广之，通过增加逻辑规模和存储器容量，这种方法也可用于其他需要高质量音频延迟的场合。