CN112116915A - 基于fpga的数字音频信号解码器及解码方法 - Google Patents

基于fpga的数字音频信号解码器及解码方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的数字音频信号解码器和解密方法，该解码器包括：网络输入单元，其用于接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；音频解析单元，其将所述网络输入单元输入的网络音频信号解析出多轨音频；音频选择单元，其对所述解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；时钟恢复单元，其从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟；模拟输出单元，其将所述时钟恢复单元输出的音频信号转换为模拟音频信号。通过本发明，接收网络音频信号，并对其进行处理，输出的音频信号时钟稳定可靠，用户可以根据需要从传输的网络音频流中选择体验输出的音轨，提高音频输出的质量和用户体验。

Description

基于FPGA的数字音频信号解码器及解码方法
技术领域
本发明涉及音频信号处理领域。
背景技术
现有的音频传输系统主要分为两类，一是模拟系统，一是数字系统。在模拟系统中，音频的传输，交换和选择，音量衰减和增加均以纯模拟方式实现，这适合于短距离音频传输，且音频通道较少的情况。在现有的数字系统中，音频信号的处理不再局限于模拟技术，在音频传输环节和处理环节，均以数字技术实现，比如蓝牙技术，以太网技术；这适合于多通道音频和远距离传输，因为数字信号在传输过程中不易出现衰减和突变，且传输带宽可以很大，比如千兆以太网。
传统的模拟传输系统由于整个系统由模拟器件组成，所以很容易受到周围电磁波等的干扰，若远距离传输时，则不可避免的会出现模拟线路的自损耗，且当音频轨道数量增加时，其布线将会非常麻烦，同时也会极大的增加维护成本。
现有的数字传输系统中，有一部分数字系统传输的是压缩音频，这就需要接收端配备专门的音频解码电路，这势必会增加产品成本；另外，解码电路的优良程度决定了音频输出的质量和用户体验，这就会导致市面上数字音频传输产品质量的参差不齐；另外一部分数字系统传输的是未压缩的音频，此类系统在音质和用户体验方面较传输压缩音频的数字系统有了很大的提高，达到了专业级别，同时还可以传输多通道音频；这些数字系统也存在一些缺陷，首先就是它们大都是明文传输，这就很容易造成音频传输泛滥，不能很好的保护音频原作者的权益；再者，传输的每轨音频都是单轨原始音频，如果用户需要体验多轨音频带来的效果，需要配备多个扬声器，且扬声器的摆放位置也有要求，这会给用户体验带来诸多不便。
发明内容
本发明提供一种基于FPGA的数字音频信号解码器及解码方法，接收网络音频信号，并对其进行处理，提高音频输出的质量和用户体验。
本发明的基于FPGA的数字音频信号解码器，包括：
网络输入单元，其用于接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
音频解析单元，其将所述网络输入单元输入的网络音频信号解析出多轨音频；
音频选择单元，其对所述解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；
时钟恢复单元，其从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟；
模拟输出单元，其将所述时钟恢复单元输出的音频信号转换为模拟音频信号输出给后级设备。
优选地，网络输入单元包括外部网口和及与所述外部网口连接的物理接口收发器，所述物理接口收发器连接至FPGA内部的以太网媒体接入控制器，所述以太网媒体接入控制器与IP收发模块连接；网络音频信号通过外部网口输入到物理接口收发器，所述物理接口收发器将网络音频信号解析转换为FPGA处理的信号后传送给所述FPGA内部的以太网媒体接入控制器。
优选地，以太网媒体接入控制器将接收的网络音频信号解析成适合用户处理的数据流，并将其传输给所述IP收发模块；或者将用户侧的数据流，转换成适合所述物理接口收发器处理的数据流，并将其传输给所述物理接口收发器。
优选地，IP收发模块对接收的数据流进行解析，提取数据流的网络数据包的头部信息，保留网络数据包的长度信息和负载部分。
优选地，本发明的基于FPGA的数字音频信号解码器，还包括版权保护单元，其将加密的网络数据包负载部分进行解密，还原出原始的音频数据流。
优选地，时钟恢复单元根据网络时钟的抖动情况，对音频时钟进行算法处理，恢复稳定的音频时钟。
优选地，外部网口为RJ45网口，其自带变压器，将网络音频信号电平转换为适合所述物理接口收发器处理的电平。
优选地，物理接口收发器为PHY芯片，其在适配所述RJ45网口传输速率的同时，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
当网络连接的一方的连接状态发生变化时，通过PHY配置模块负责检测该变化，并将该变化反馈给FPGA内部逻辑。
优选地，音频选择单元包括拨码开关，通过所述拨码开关在网络音频数据的多轨音频中选择当前需要输出的音轨。
本发明还涉及一种基于FPGA的数字音频信号解码方法，包括以下步骤：
接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
将网络音频信号解析出多轨音频；
对解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；
从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟；
将恢复出稳定音频时钟的音频信号转换为模拟音频信号输出。
本发明的基于FPGA的数字音频信号解码器和解码方法，接收网络音频信号，并对其进行处理，输出的音频信号时钟稳定可靠，能忍受较大的网络波动，用户可以根据需要从传输的网络音频流中选择体验输出的音轨，提高音频输出的质量和用户体验。
附图说明
下面参考附图描述本发明的优选实施例，附图为了说明本发明的优选实施例而不是为了限制本发明的目的。附图中，
图1为本发明实施例的数字音频信号解码器的功能框图；
图2为本发明实施例的数字音频信号解码方法的流程框图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式用来具体说明本发明，但并不局限于该具体实施方式。
图1为本发明实施例的数字音频信号解码器的功能框图。
如图1所示，本实施例的基于FPGA的数字音频信号解码器，包括：网络输入单元1、音频解析单元2、音频选择单元3、时钟恢复单元4和模拟输出单元5。
网络输入单元1，其用于接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号。
网络输入单元1包括外部网口11和及与外部网口11连接的物理接口收发器12，所述物理接口收发器12连接至FPGA内部的以太网媒体接入控制器7，以太网媒体接入控制器7与IP收发模块8连接；网络音频信号通过外部网口11输入到物理接口收发器12，所述物理接口收发器12将网络音频信号解析转换为FPGA处理的信号后传送给所述FPGA内部的以太网媒体接入控制器7。
外部网口11为RJ45网口，其自带变压器，将网络音频信号电平转换为适合物理接口收发器处理的电平。
物理接口收发器12为PHY芯片，可以发送和接收以太网的数据帧，其在适配所述RJ45网口传输速率的同时，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
当网络连接的一方的连接状态发生变化时，通过PHY配置模块9负责检测该变化，并将该变化反馈给FPGA内部逻辑。
PHY配置模块9完成物理接口收发器12(PHY芯片)的功能配置。通过PHY配置模块9的配置功能，使PHY芯片能正常工作。
以太网媒体接入控制器7为FPGA内部自带的三速以太网MAC，其将接收的网络音频信号解析成适合用户处理的数据流，并将其传输给所述IP收发模块8；或者将用户侧的数据流，转换成适合所述物理接口收发器处理的数据流，并将其传输给所述物理接口收发器12。
IP收发模块8对接收的数据流进行解析，提取数据流的网络数据包的头部信息，保留网络数据包的长度信息和负载部分。
网络音频信号通过网线进行传输，采用的传输协议为udp。网络音频信号首先进入RJ45网口，该网口自带变压器，将网络音频信号电平转换为适合以太网PHY处理的电平标准。PHY芯片可以采用88E1111型号，其在适配接收对象传输速率的同时，将网络信号解析转换成了便于FPGA处理的信号。当网络连接的一方的连接状态发生变化时，比如一方断开连接，或者连接速率发生变化时，PHY配置模块9可以检测到变化，并将检测结果反馈给FPGA内部逻辑。
PHY芯片将网络音频信号传输给FPGA内部自带的三速以太网MAC，MAC接收网络音频信号后将其解析成适合用户处理的数据流；或者将用户侧的数据流，转换成适合PHY芯片处理的数据流，将其传输给PHY芯片。
MAC将网络音频信号解析成适合用户处理的数据流后传送给IP收发模块8，IP收发模块8进一步包括IP接收模块81和IP发送模块82。IP接收模块81具有解析网络数据包的功能，其接收MAC传输的网络音频信号后，对网络音频信号进行解析，将网络音频信号的网络数据包的头部信息提取后，保留数据包的长度信息，网络数据包的负载部分完全保留下来，其余信息丢弃。
这样则完成了网络音频信号的接收，IP接收模块81可将解析后的网络音效信号传送给后级模块。
音频解析单元2将所述网络输入单元1输入的网络音频信号解析出多轨音频。
音频选择单元3，其对所述解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；
音频选择单元3包括拨码开关31，通过所述拨码开关31在网络音频数据的多轨音频中选择当前需要输出的音轨，将已选择的音轨，以I2S音频格式发送给后级模块。
在接收网络音频流的过程中，不可避免的会出现网络抖动，为消除网络抖动对音频体验造成的影响，需要对网络音频进行时钟恢复。
由于网络音频流的传输速度比较快，百兆模式下为100Mbps，千兆模式下为1000Mbps，而常用的音频采样率为48KHz，所以需要一个音频时钟恢复模块，从网络数据流中恢复出一个稳定适合的音频时钟。
时钟恢复单元4包括时钟模块41，其从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟。
时钟恢复单元4根据网络时钟的抖动情况，对音频时钟进行算法处理，恢复稳定的音频时钟。
时钟模块41优选采用FPGA片内的锁相环(PLL)对输入时钟进行锁相。因为其内部的环路滤波器能够对输出时钟进行滤波，从而改善时钟抖动性能。
通过时钟模块41对音频时钟的处理，得到稳定可靠的音频时钟，消除网络抖动对音频体验造成的不良影响。
模拟输出单元5将所述时钟恢复单元输出的音频信号转换为模拟音频信号。
模拟输出单元5包括音频发送模块51和数模转换器52。音频发送模块51接收到时钟恢复单元4发送的具有稳定音频时钟的音频信号，并传送给数模转换器52。数模转换器52将音频信号转换为模拟音频信号输出给下级设备。下级设备可以是扬声器或者耳机等设备。
本发明的基于FPGA的数字音频信号解码器，还包括版权保护单元6，其将加密的网络数据包负载部分进行解密，还原出原始的音频数据流。
如果接收的网络音频数据为加密数据，则先通过版权保护单元6对数据进行解密处理，再将解密后的音频数据输送给音频解析单元2。
本发明的基于FPGA的数字音频信号解码器，利用现场可编程门阵列FPGA进行硬件开发，通过PHY配置网络接口，使硬件平台即可以接收网络音频信号，并对音频信号进行处理，增加了用户的选择，同时改善了音频的体验效果。
本发明还涉及一种基于FPGA的数字音频信号解码方法，包括以下步骤：
步骤S1，接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
步骤S2，将网络音频信号解析出多轨音频；
步骤S3，对解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；
步骤S4，从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟；
步骤S5，将恢复出稳定音频时钟的音频信号转换为模拟音频信号输出。
本发明的基于FPGA的数字音频信号解码器和解码方法，接收网络音频信号，并对其进行处理，输出的音频信号时钟稳定可靠，能忍受较大的网络波动，用户可以根据需要从传输的网络音频流中选择体验输出的音轨，提高音频输出的质量和用户体验。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，包括：
网络输入单元，其用于接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
音频解析单元，其将所述网络输入单元输入的网络音频信号解析出多轨音频；
音频选择单元，其对所述解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；
时钟恢复单元，其从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟；
模拟输出单元，其将所述时钟恢复单元输出的音频信号转换为模拟音频信号输出给后级设备。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，
所述网络输入单元包括外部网口和与所述外部网口连接的物理接口收发器，所述物理接口收发器连接至FPGA内部的以太网媒体接入控制器，所述以太网媒体接入控制器与IP收发模块连接；
网络音频信号通过外部网口输入到物理接口收发器，所述物理接口收发器将网络音频信号解析转换为FPGA处理的信号后传送给所述FPGA内部的以太网媒体接入控制器。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，
所述以太网媒体接入控制器将接收的网络音频信号解析成适合用户处理的数据流，并将其传输给所述IP收发模块；或者将用户侧的数据流，转换成适合所述物理接口收发器处理的数据流，并将其传输给所述物理接口收发器。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，所述IP收发模块对接收的数据流进行解析，提取数据流的网络数据包的头部信息，保留网络数据包的长度信息和负载部分。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，
还包括版权保护单元，其将加密的网络数据包负载部分进行解密，还原出原始的音频数据流。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，
所述时钟恢复单元根据网络时钟的抖动情况，对音频时钟进行算法处理，恢复稳定的音频时钟。
7.根据权利要求2-5任一项所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，所述外部网口为RJ45网口，其自带变压器，将网络音频信号电平转换为适合所述物理接口收发器处理的电平。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，
所述物理接口收发器为PHY芯片，其在适配所述RJ45网口传输速率的同时，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
当网络连接的一方的连接状态发生变化时，通过PHY配置模块负责检测该变化，并将该变化反馈给FPGA内部逻辑。
9.根据权利要求1-5任一项所述的基于FPGA的数字音频信号解码器，其特征在于，
所述音频选择单元包括拨码开关，通过所述拨码开关在网络音频数据的多轨音频中选择当前需要输出的音轨。
10.一种基于FPGA的数字音频信号解码方法，其特征在于，包括以下步骤：
接收网络音频信号，将网络音频信号解析转换成便于FPGA处理的信号；
将网络音频信号解析出多轨音频；
对解析出的多轨音频进行选择，并将选择的音频信号输出；
从选择输出的音频信号的网络数据流中恢复出稳定的音频时钟；
将恢复出稳定音频时钟的音频信号转换为模拟音频信号输出。
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