CN115278458B - 基于pcie接口的多声道数字音频处理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及数字音频信号处理技术领域，具体涉及一种基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，数字音频读取模块包括通过PCIE接口连接的驱动单元和PCIE接口电路；数字音频处理模块包括数据传输单元和隔离单元，数据传输单元用于生成并传输I2S格式的数据，隔离单元为两级磁隔离；数字音频发送模块用于分别通过光纤和同轴电缆传输数据和时钟；数字音频接收模块用于接收数字音频发送模块传输的数据和时钟并输出I2S信号。本发明的有益效果为：系统的灵活性、可升级性得到了较大提高、尤其因为是同步传输，性能提升明显，属于跨越式的进步，是替代当前主流的USB音频协议的手段，能解决USB音频协议因为异步传输带来的数据完整性问题，可用于高端音频设备中。

Description

基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统
技术领域
本发明涉及数字音频信号处理技术领域，具体涉及基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统。
背景技术
以往的多声道数字音频处理系统需要，第三方播放器、基于系统的通用驱动、声卡、数字音频合成设备、信号隔离器等不同设备完成从多声道音频文件到多声道高质量数字音频信号输出的工作。这些设备往往由不同厂商开发，彼此之间的协议也基于一些通用协议标准，无法进行定制化的二次开发满足更高层次的需求。尤其PCIE设备与上位机同处一套系统内，干扰严重，输出的数据也只能采用传统的spdif格式为主，输出质量较差，格式规格低，难以满足高档次音频设备的需求，使得PCIE数字音频设备实时性强的先天的优势被掩盖，目前几乎完全被异步USB音频协议设备取代。所以一种能让PCIE扬长避短发挥其实时性强的系统成为必须，在高端hifi音频领域有广泛的运用空间。
因此，需要基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，以解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，其包括时钟模块和依次连接的数据接收模块、数字音频处理模块、数字音频发射模块和数字音频接收模块，其中：
所述数据接收模块包括PCIE接口电路，和基于win系统X86架构的软件驱动程序；
数字音频处理模块包括数据处理及传输单元和隔离单元，所述数据处理及传输单元用于生成并传输I2S格式或DSD源码数据，所述隔离单元为两级磁隔离；
所述数字音频发送模块用于分别通过光纤和同轴电缆传输数据和时钟；
所述数字音频接收模块用于接收所述数字音频发送模块传输的数据和时钟并输出I2S信号或DSD源码数据。
进一步的，所述数字音频处理模块使用FPGA算法对数据处理。
进一步的，所述数字音频处理模块使用隔离手段与CPU隔离以消除干扰。
进一步的，上位机将数据以PCM格式或DSD源码并行方式存储在缓冲区内，并进行了信源编码，用于防止传输错误。
进一步的，所述数字音频处理模块配置为：在进行传输前先进行通道数据合并打包、编码处理，处理完成后采用光纤数据传输协议进行传输；
所述数字音频接收模块配置为：进行光纤数据的解码和接收，接收到的数据进行缓冲后进行解码，拆包，再用独立传输的时钟重新将数据恢复成I2S格式或者DSD源码。
本发明的有益效果为：
本发明是一套完整的数字音频读取、处理、发送、接收系统，具备自主的数据传输协议，解决了传统PCIE声卡数字处理时钟质量低，易受干扰，音频数据兼容格式少，无高码率多声道数据传输手段等诸多问题，是PCIE数字音频的换代技术。相比于传统的采用模块二次开发搭建的系统，本发明采用了统一的可编程的硬件设计架构，相比传统方式，系统的灵活性、可升级性尤其是性能得到了较大提高，属于跨越式的进步，是替代当前主流的USB音频协议的手段，可用于高端音频设备中。
附图说明
图1为本发明的整体框架图。
图中：
1、驱动单元；2、PCIE接口电路；3、数字音频处理模块；4、时钟模块；5、数字音频发送模块；6、数字音频接收模块。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明实施例公开了一种基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，其包括时钟模块4和依次连接的数据接收模块、数字音频处理模块3、数字音频发射模块5和数字音频接收模块6，其中：
数据接收模块包括通过PCIE接口连接的驱动单元1和PCIE接口电路2，驱动单元为基于win系统X86架构的软件驱动程序；
数字音频处理模块包括数据处理及传输单元和隔离单元，数据处理及传输单元用于生成并传输I2S格式或DSD源码数据，隔离单元为两级磁隔离；
数字音频发送模块用于分别通过光纤和同轴电缆传输数据和时钟；
数字音频接收模块用于接收数字音频发送模块传输的数据和时钟并输出I2S信号或DSD源码数据。
本发明采用基于可编程逻辑器件的一体化数字音频信号处理，数字音频处理模块使用FPGA自主算法实现数据处理，将多声道音频文件按照特有的协议进行高性能接收、合成、同步等工作并生成高质量的多路I2S标准信号，用独有的时钟+数据传输协议，通过发送模块和接收模块，使用光纤和同轴电缆双线同步输出数据及时钟，具备处理及传输高码率PCM 8声道/DSD 6声道数据的能力，形成一种全新的传输标准。数字音频处理模块使用隔离手段与CPU隔离以消除干扰，保证了数据处理阶段的时钟质量。
FieldProgrammable Gate Array是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
PCM是英文Pulse-code modulation的缩写，中文译名是脉冲编码调制。我们知道在现实生活中，人耳听到的声音是模拟信号，PCM就是要把声音从模拟转换成数字信号的一种技术，他的原理简单地说就是利用一个固定的频率对模拟信号进行采样，采样后的信号在波形上看就像一串连续的幅值不一的脉冲，把这些脉冲的幅值按一定的精度进行量化，这些量化后的数值被连续地输出、传输、处理或记录到存储介质中，所有这些组成了数字音频的产生过程。
DSD(Direct Stream Digital)技术也叫做直接数字流，是由Philips和SONY公司共同研制的，比普通CD的采样频率高出64倍，动态范围扩展至普通CD的5倍，大大的超越了目前所有的各种音频格式，最真实的再现了现场原声。SACD是将用DSD或者PCM格式录制的音频数据，制作成SACD碟片，在专用SACD播放器上播放的的形式。
I2S又称IIS(Inter—IC Sound)总线，又称集成电路内置音频总线，是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。
需要说明的是驱动单元，亦即驱动程序自主研发，其为基于win系统X86架构的软件驱动。
PCIE接口电路为标准的PCIE接口硬件电路。
数字音频处理模块所采用的FPGA应用自主算法，与软件驱动配合，实现数据实时接收、同步，组合，传输。
FPGA用于数据合成，并控制时钟模块输出正确的频率，同步生成spdif数据及I2S数据。并输出spdif数据。
自主协议的数字音频发送模块，将数据编码后与时钟同步传输。
采用了光纤/同轴电缆自主协议的数字音频接收模块，接收数据后还原成I2S或者DSD源码，送至下位机。
还需要说明的是，使用FPGA自主算法实现数据处理。传统的方法中音频数据采用I2S标准进行同步传输，通过SPIDF协议进行异步传输。本发明中PCIE接口与FPGA之间采用自定义的数据传输格式，上位机将2通道或者多通道数据以PCM格式或者DSD源码模式，采用并行方式存储在缓冲区内，并进行了信源编码来防止传输错误。本发明的特有算法主要包括多路PCM数据或DSD源码的数据合并，数据的信源编码和解码算法。
另外，将多声道音频文件按照特有的协议进行高性能接收、合成、同步等工作并生成高质量的多路I2S标准信号。
传统的I2S信号如果要进行异步传输往往采用的是SPIDF的协议，多路的SPIDF协议速率较高给解码端带来很大压力，特别是多声道传输时，往往只能通过多个SPIDF通道来传输，这给解码端的声道同步又带来了很大的问题。本发明由于采用了独有时钟同步传输的方式，因此可以摒弃原有的SPIDF协议传输的方式。将多路I2S数据或者DSD源码数据直接进行传输。在进行传输前先进行通道数据合并打包、编码等处理，处理完成后采用光纤数据传输协议进行传输。这种传输方式有效带宽可以达到1Gbps以上远远超过SPIDF协议。接收端进行光纤数据的解码和接收，接收到的数据进行缓冲后用独有时钟进行解码，拆包，再重新将数据恢复成I2S格式。这种方式多声道音频数据被当作数据多声道直接传输，没有声道间同步的问题。可以保证数据的可靠性和稳定性。独有时钟因为和数据是同源的，只要进行匹配不会出现数据丢失和堆积的问题。
还需要说明的是，用独有的时钟+数据传输协议，通过发送模块和接收模块，使用光纤和同轴电缆双线同步输出数据及时钟，具备处理及传输高码率PCM 8声道/DSD 6声道数据的能力，形成一种全新的传输标准。
以往光纤数据传输协议往往采用全异步的传输模式，即光纤传输的数据通过8B10B编码或者曼彻斯特码等编码方式在数据中携带时钟信息，接收端则通过时钟数据恢复模块恢复时钟。这种方法本质上是用锁相环的方法在数据中提取了时钟信息。但是这种方法恢复的时钟质量较差，如果直接用于解码器很难达到较好的效果。本设计所采用的独有时钟加数据传输协议的方法是在原有光纤数据传输的基础上又增加了一路BNC接口的同步时钟传输。这路时钟信号与光纤传输的数据同源，在数据率上是匹配的。光纤传输的通路只负责传输数据，接收端恢复的时钟只用于数据的恢复，只需保证接收端数据无无码即可。接收到的数据在接收端根据自主的协议重新恢复成I2S格式或者DSD源码，并且用同步传输过来的高质量时钟作为BCK信号输出I2S信号或者DSD源码。这时接收模块送出的I2S信号采用了高质量时钟作为BCK信号，大大提高了信号的质量。由于增加了独立传输的时钟，数据传输协议可以重新定义。常规的方法由于考虑到时钟恢复的需要，一般将数据打包成spidf的格式。本发明中的则直接将音频数据当作一般数据来处理。可以将多路音频数据按照PCM样点直接进行数据打包编码后当作普通数据来进行传输接收端则进行数据接收解码后再用独有时钟进行输出处理。
使用隔离手段与CPU隔离以消除干扰，保证了数据处理阶段的时钟质量。
通常的隔离手段有光隔离和磁隔离，一般对于高速数据采用磁隔离的方式。本发明采用了两级磁隔离的方式。并且与常用的隔离方式不同的是本发明中数据和时钟的走向是不同的。一般的隔离手段中会将数据和时钟通向的经过磁隔离后传向后一级。即前级提供I2S协议中定义的BCK、DATA和LR信号，通过隔离芯片后恢复出相同的信号送给后级别。这种方式可以保证前后级不共地，但是时钟的质量会因为隔离而产生很大恶化。本发明中数据隔离的方向是前级向后级，但是时钟隔离是反向的，这样时钟隔离后即使恶化但是并不影响前级对数据的接收和处理。而前级只向后级隔离传输数据，后续处理的时钟则是后级的本地高质量时钟，由于数据合成模块的本地高质量时钟和前级FPGA模块中的时钟是同源的，因此只要再后及FPGA模块中对数据和本地时钟进行重新匹配即可。这样一来这种隔离方法既保证了前后级不共地，隔离了电路噪声，又解决了时钟因为隔离而恶化的问题。达到了最好效果的隔离。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述模块或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/模块不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/模块所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，其特征在于，包括时钟模块和依次连接的数据接收模块、数字音频处理模块、数字音频发送模块和数字音频接收模块，其中：
所述数据接收模块包括PCIE接口电路，和基于win系统X86架构的软件驱动程序；
数字音频处理模块包括基于FPGA的数据处理及传输单元和隔离单元，所述数据处理及传输单元用于生成并传输I2S格式的数据，所述隔离单元为两级磁隔离，两级磁隔离对数据的隔离方向是前级向后级，对时钟的隔离方向是后级向前级；
所述数字音频发送模块用于分别通过光纤和同轴电缆传输所述I2S格式的数据和时钟；
所述数字音频接收模块用于接收所述数字音频发送模块传输的数据和时钟，并输出I2S或者DSD源码数据；
上位机将数据以PCM格式或者DSD源码采用并行方式存储在缓冲区内，并进行了信源编码，用于防止传输错误。
2.根据权利要求1所述的基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，其特征在于，所述数字音频处理模块使用FPGA算法对数据处理。
3.根据权利要求1所述的基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，其特征在于，所述数字音频处理模块配置为：在进行传输前先进行2通道或者多通道数据合并打包、编码处理，处理完成后采用光纤数据传输协议进行传输；所述数字音频接收模块配置为：进行光纤数据的解码和接收，接收到的 数据进行缓冲后进行拆包，再用独立传输的时钟重新将数据恢复成I2S或者DSD格式。
4.根据权利要求3所述的基于PCIE接口的多声道数字音频处理系统，其特征在于，数据与时钟分开传输。
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