AES音頻數據流之間的異步採樣率轉換

　　數字視頻和音頻技術的廣泛使用和不斷革新，推動了音/視頻廣播 (AVB) 設備的快速發展。今天的 AVB 設備需要更高的圖像質量、解析度、更高的帶寬和更多的音/視頻處理通道，並且需要將從前彼此獨立但實際上相互關聯的功能(例如 HD-SDI、音頻多路傳輸和解復用，以及異步採樣率轉換 (ASRC) )組合在一起。

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　　Xilinx FPGA 通過不斷地將集成度低、複雜且昂貴的ASSP晶片功能組合在一起，來滿足客戶對於集成度的需求。利用像 DSP48E 和 block RAM這樣用來 實現複雜的濾波功能的晶片特性。ASRC作為一種ASSP晶片實現的功能，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，同樣可以滿足客戶對集成複雜算法的需求。ASRC 參考設計正確地處理了同步採樣率轉換和大多數音/視頻產品所需要的更複雜的ASRC。

　　許多ASSP晶片和FPGA IP供應商提供較簡單的「僅使用同步的」方法，每條音頻通道的資源利用率較小;但是，當應用於異步應用時，這些方法會產生下面這些問題：

　　延遲的積累導致輸入到輸出延遲的變化

　　音頻中會產生噪聲，例如漏採樣或重複採樣兩種情況都表現出不希望出現的失真。

　　理解採樣率轉換

　　在深入了解數字採樣率轉換理論之前，先來看一看音/視頻工程師正在試圖解決的基本問題。在少量的應用中，可以使用速率固定的同步轉換，例如使用同樣的時鐘源，或由輸入時鐘產生的輸出時鐘來將 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。不同的時鐘振蕩器可以有相同的標稱頻率，但存在著百萬分之幾的差別。 Xilinx ASRC 參考設計對於具有獨立輸入和輸出時鐘的異步應用，提供了兩項重要的而且困難的設計功能：

　　自動準確地監視輸入到輸出的採樣率之比和採樣率的變化

　　在線動態調節濾波器函數(濾波器係數)，從而實現性能最大化

　　使用FPGA來支持數字音頻ASRC，意味著能夠極大地降低系統中每個SDI 接口的成本，並且，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。它還能支持多個音頻輸入頻率到多個音頻輸出頻率的轉換。採樣率轉換算法能夠在線動態進行調節，以保持最高性能，這樣，設計人員就無需特別關注輸入和輸出時鐘。可以使用運行在如圖1所示的 Xilinx ML571 串行數字視頻演示板上的 IP 來驗證所有這些功能。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來匹配輸出數字音頻採樣率和輸出數字視頻採樣率

　　採樣率轉換理論

　　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範圍內連續變化。

　　

 

　　圖2 用於進行採樣率轉換的經典數據概念

　　從框圖可以看出，先進行上變頻(產生更多的樣本和時間位置以供選擇)，再進行下變頻(選擇輸出數據流中與所希望的樣本位置最符合的樣本)。數據路徑中的抗幹擾/抗鋸齒濾波器確保頻譜範圍低於輸入和輸出採樣頻率的奈奎斯特速率的一半。 圖3和圖4顯示，對於每個輸出採樣位置或輸出相位，都需要一組不同的 子濾波係數，因為相對於輸出相位而言，輸入處於不同位置上。具有一組係數與輸入採樣位置對應的子濾波器，由內插的原型濾波器係數實現。當子濾波器與相應的輸入樣本進行卷積後，將產生所需的輸出樣本。這一過程會不斷重複，為每個輸出樣本插入新的子濾波器係數。

　　

 

　　圖3 與原始樣本位置相關的樣本位置顯示了所使用的內插樣本

　　

 

　　圖4 位於輸出樣本位置中心的原型濾波器

　　在ML571上實現ASRC的實例

　　被稱為視頻幀同步的簡單功能，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，並以另一個稍微不同的速率被取出。如果視頻設備的兩個部分之間沒有被「同步鎖相」，並且工作在不同的像素率下，這一過程將十分有用。

　　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現在音頻上類似的差異。解決方案是在開始的視頻數據流中先去除音頻數據，隨後再將其插入到具有微小數據率變化的數據流中，並使輸出 音頻的採樣率與新的輸出視頻的採樣率相匹配。Xilinx ASRC 參考設計十分適合完成這樣的任務。

　　例如，讓我們將兩塊由不同的時鐘振蕩器導致的SDI視頻採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，並將其送至 ASRC。需要使用幀緩存同步邏輯，通過添加或丟棄視頻幀，來處理兩塊板卡間時鐘頻率的差異。ASRC 調節解嵌的音頻，來與輸出視頻流的時鐘速率匹配，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，通過添加或丟棄視頻幀，來處理兩塊板卡間時鐘頻率的差異。ASRC 調節去嵌入音頻，來與輸出視頻流的時鐘速率匹配，使其能被重新嵌入到輸出SDI 視頻流中。)

　　欲獲取更多關於幀緩存同步技術和異步採樣率轉換技術的信息，請參見位於 www.xilinx.com/cn/bvdocs/appnotes/xapp514.pdf 上的XAPP514，「廣播業的音/視頻連接解決方案」。

　　框圖和性能優勢

　　圖5中的簡單框圖顯示了 ASRC 中所必須的兩個關鍵設計部分。第一個部分用來確定輸入採樣率和輸出採樣率之間的變化，用「比例控制」標出。第二個部分「二次採樣器」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採樣頻率轉換到另一個採樣頻率。輸入和輸出頻率可以互為任意的比例，或為基於不同時鐘的同一個頻率。輸出是輸入的帶寬限制版本，輸入被重新採樣，來與輸出採樣時序匹配。參考設計有如下這些特點：

　　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位的內部數學精度和遠離0的進位

　　自動監視輸入到輸出的採樣率之比，不斷對濾波器進行調整

　　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採樣率監視

　　輸 入/輸出採樣率在8kHx-192kHz連續範圍內

　　更低的確定性延遲

　　參考設計有一個內插係數的FIR濾波器，它由 Virtex TM -5 中作為主數學單元的DSP48E和用作輸入採樣緩存和原型存儲的block RAM來實現。

　　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採樣率，並支持新的 AVB功能的需求是一個巨大的挑戰。從變化的協議、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 器件創造了機會，因為這些器件能夠讓設備廠商針對不斷發展的AVB設備市場創建相應的解決方案。