鞏稼民，張正軍，邢仁平，徐嘉馳，王貝貝，柳華勃（.西安郵電大學電子工程學院，西安70；.中國電信股份有限公司青海電信分公司，西寧80000；.西安郵電大學通信與信息工程學院，西安70；.西安郵電大學理學院，西安70）

紫外光語音通信中WM8731的控制與應(yīng)用

鞏稼民1，張正軍1，邢仁平2，徐嘉馳1，王貝貝3，柳華勃4
（1.西安郵電大學電子工程學院，西安710121；2.中國電信股份有限公司青海電信分公司，西寧810000；3.西安郵電大學通信與信息工程學院，西安710121；4.西安郵電大學理學院，西安710121）

摘要：簡單介紹了紫外光語音通信系統(tǒng)的組成和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，論述了芯片WM8731在紫外光語音通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了語音存儲、語音數(shù)據(jù)格式設(shè)定和語音傳輸控制等關(guān)鍵問題的解決方案。使用Veri l og HDL語言在ISE13. 1中實現(xiàn)語音信號的傳輸控制，并通過Model Si m仿真軟件進行時序驗證以檢驗芯片配置是否滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：Xi l i nx FPGA；WM8731音頻編解碼芯片；紫外光語音通信系統(tǒng)

0　引言

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對信息傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性提出了更高的要求，傳統(tǒng)通信技術(shù)的缺陷愈加明顯。紫外光通信作為一種新型的通信手段，與傳統(tǒng)常規(guī)通信方式相比，具有數(shù)據(jù)傳輸保密性高和系統(tǒng)抗干擾能力強的優(yōu)點[1]，彌補了在特殊戰(zhàn)場、非常時期和無線電靜默時傳統(tǒng)通信方式的不足，在軍事通信中有廣泛的應(yīng)用前景。因此，紫外光通信技術(shù)成為多個國家的研究熱點，獲得一種穩(wěn)定、可靠的紫外光語音通信系統(tǒng)已成為各國的共同目標。目前，紫外光通信大多處于研發(fā)設(shè)計階段，雖然整個裝置已具雛形，但是離商用階段還有一定距離，系統(tǒng)的集成度和各項性能有待進一步提高。Xilinx公司FPGA片上音頻芯片WM8731能完成語音信號采集和處理功能，保證語音數(shù)據(jù)快速、高保真?zhèn)鬏?。為?jié)約紫外光通信裝置的空間，提高系統(tǒng)集成度，本文利用芯片WM8731，實現(xiàn)在一塊FPGA芯片上完成紫外光通信裝置的語音處理任務(wù)。

1　紫外光語音通信系統(tǒng)組成

紫外光語音通信系統(tǒng)主要由發(fā)射端、紫外大氣傳輸信道和接收端3部分組成,其原理框圖如圖1所示。在紫外光通信系統(tǒng)中，發(fā)射端和接收端的語音信號處理主要在FPGA芯片上實現(xiàn)。音頻輸入信號經(jīng)過WM8731音頻編解碼芯片后，微處理器對其進行相應(yīng)處理，處理后的音頻信號在紫外光源的調(diào)制下依靠大氣分子的瑞利散射和氣溶膠微粒的米氏散射到達接收端，接收端將接收到的音頻信號轉(zhuǎn)化為模擬音頻信號，實現(xiàn)信息還原。從以上過程可以看出，實現(xiàn)語音信號的采集與處理是實現(xiàn)紫外光語音通信的首要任務(wù)。

圖1　紫外光語音通信系統(tǒng)圖

2　Xilinx FPGA片上音頻芯片WM8731的控制

為了在紫外光通信信道帶寬受限的情況下獲得高質(zhì)量的語音通信，本文選用Xilinx FPGA片上音頻芯片WM8731。通過配置WM8731音頻芯片的內(nèi)部寄存器，實現(xiàn)對語音信號的相關(guān)處理和控制，完成語音通信。

2.1WM8731芯片調(diào)節(jié)語音信號音量的原理

WM8731是Wolfson公司開發(fā)的一款高性能低功耗24位音頻編解碼芯片，它擁有可控采樣頻率和可選擇濾波器的特點[2]。WM8731包含兩路線路輸入、麥克風輸入、線路輸出和耳機輸出，可以對輸入輸出音頻信號的音量進行控制。片內(nèi)內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和可選擇的高通數(shù)字濾波器。

在紫外光語音通信系統(tǒng)中，語音信號主要由麥克風輸入，耳機輸出。由于在后續(xù)傳輸過程中會受到噪聲影響，語音信號強度可能有所衰減。因此，在語音信號經(jīng)麥克風輸入后，需要對其進行音量調(diào)節(jié)。WM8731芯片內(nèi)部有兩級低噪聲反向運算放大器，語音信號經(jīng)第一級運算放大器后可實現(xiàn)-6～14dB的增益，該放大器的增益可通過編程控制。第二級放大器增加0dB或20dB增益。因此，采用該芯片可使所有麥克風輸入信號實現(xiàn)-6～34dB的增益。

2.2WM8731芯片內(nèi)存器配置

WM8731的控制接口有4根引腳，分別是控制模式選擇線（mode）、數(shù)據(jù)鎖存線或地址選擇線（csb）、數(shù)據(jù)傳輸線（sdin）和串行時鐘輸入線（sclk）[3]?？赏ㄟ^設(shè)置mode引腳的狀態(tài)對控制模式進行選擇。mode狀態(tài)為0時是2線控制模式，為1時是3線控制模式。無論mode引腳的狀態(tài)如何，sdin上的數(shù)據(jù)都是串行傳輸?shù)?。本文采?線模式，即采用I2C總線控制模式對WM8731進行控制，其控制原理圖如圖2所示。

圖2　WM8731控制原理圖

I2C總線的起始和停止條件有特殊的規(guī)定。I2C總線的起始條件表現(xiàn)為：sclk保持高電平期間，sdin線從高電平下降到低電平。I2C總線的停止條件表現(xiàn)為：sclk保持高電平期間，sdin線從低電平上升到高電平[4]。I2C總線控制器每次傳輸24位數(shù)據(jù)，前8位數(shù)據(jù)代表從設(shè)備地址slave_addr(r_addr)，為34h；中間8位是從設(shè)備內(nèi)部寄存器地址sub_addr（data b15-8）；最后8位是內(nèi)部寄存器的控制字。由于WM8731內(nèi)部寄存器的地址是用7位二進制數(shù)表示的，與I2C串行總線的數(shù)據(jù)格式定義不一致。因此，在實際傳輸時，用sub_addr的前7位作為寄存器地址，第8位作為內(nèi)部寄存器控制字的最高位。

本文中每個寄存器的配置使用33個I2C時鐘周期完成。第1個時鐘周期初始化控制器，第2、3周期完成I2C總線控制器的起始條件，啟動傳輸，第4～30個周期傳輸數(shù)據(jù)（包含24位寄存器配置數(shù)據(jù)和3個應(yīng)答信號ack），最后3個周期用于終止傳輸。I2C總線時序圖如圖3所示。

圖3　WM8731 I2C總線時序圖

根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊提供的信息，WM8731音頻芯片內(nèi)部共有10個工作寄存器，對應(yīng)的地址為0000000b～0001001b[5]。在進行語音數(shù)據(jù)傳輸前，應(yīng)當先對內(nèi)部寄存器進行相應(yīng)配置。因為I2C以串行方式傳輸數(shù)據(jù)，所以內(nèi)部寄存器的配置需依次進行。在某一特定時間點，只能先傳輸一個寄存器的控制字，當該寄存器配置結(jié)束后，再配置其它寄存器。使用Verilog硬件描述語言將WM8731音頻編解碼芯片寄存器配置數(shù)據(jù)存儲在查找表LUT_DATA中，LUT_DATA中的數(shù)據(jù)為16位，包括內(nèi)部寄存器的地址和相應(yīng)寄存器的值。WM8731內(nèi)部寄存器的相應(yīng)配置和定義如表1所示。

2.3紫外光通信中語音數(shù)據(jù)傳輸控制

WM8731音頻編解碼芯片內(nèi)部寄存器配置結(jié)束后，該芯片將處于我們預(yù)定的工作狀態(tài)。由于在音頻數(shù)據(jù)傳輸時，音頻數(shù)據(jù)格式有4種模式：左對齊、右對齊、I2S和DSP模式[6]。因此，我們要對紫外光通信中的語音數(shù)據(jù)格式進行設(shè)定。本文設(shè)語音數(shù)據(jù)位數(shù)為16位，WM8731音頻數(shù)據(jù)格式為左對齊模式，該模式時序圖如圖4所示。

表1　WM8731內(nèi)部寄存器配置及說明

圖4　左對齊模式音頻數(shù)據(jù)傳輸時序圖

左對齊模式中，當adclrc或daclrc發(fā)生改變后，bclk第一個脈沖上升沿最高有效位（MSB）有效。其中daclrc和adclrc為幀時鐘，用于切換左右聲道的數(shù)據(jù)，其時鐘頻率與采樣頻率相等；bclk為位時鐘，即對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)。由于我們在配置WM8731內(nèi)部寄存器時，設(shè)定采樣頻率為48kHz，則bclk的頻率為：

其中，fS為采樣頻率，u為采樣位數(shù)。設(shè)定WM8731工作在主模式下時，為產(chǎn)生bclk，WM8731音頻編解碼芯片需要18.432MHz的時鐘輸入，但時鐘分頻的方法并不能生成精準的頻率為18.432MHz的時鐘。因此，本文采用Xilinx公司提供的時鐘管理單元（DCM）設(shè)定上述頻率，完成設(shè)計要求。

紫外光通信系統(tǒng)收發(fā)單元一般使用相同波長的紫外光源，這要求在某一特定時間點上語音信號只能沿一個方向傳輸。以兩個用戶A、B通信為例，設(shè)A是主站，B是從站，B鎖定A的時鐘，保證A、B時鐘一致。由于A、B兩用戶使用的紫外光源波長相同，這決定了雙方不能同時發(fā)送語音信號，以避免語音信號發(fā)生串擾。因此，A、B發(fā)送的數(shù)據(jù)必須在時間上錯開，當A用戶發(fā)送語音信號時，我們可以先將B用戶在這一時間段內(nèi)發(fā)送的語音數(shù)據(jù)存儲起來，在下一時間段再發(fā)送，時間間隔可由通信雙方的距離和存儲單元的大小來設(shè)定。為實現(xiàn)這一過程，我們使用Verilog硬件描述語言設(shè)計了異步FIFO存儲器。異步FIFO存儲器是一種在不同時鐘域之間以先進先出方式進行數(shù)據(jù)傳遞的存儲器[7]。紫外光語音通信時，我們可以將FIFO存儲器中的語音數(shù)據(jù)進行編碼、交織等相關(guān)處理來優(yōu)化整個語音通信系統(tǒng)。

3　仿真結(jié)果與分析

為了驗證WM8731語音編解碼配置是否正確，我們通過在ISE13.1中調(diào)用ModelSim完成時序仿真。使用ModelSim進行時序仿真時,首先將ISE與ModelSim關(guān)聯(lián)，然后建立仿真工程，編譯Verilog源代碼和testbench文件，啟動仿真器并加載頂層文件，最后打開觀察窗口，添加仿真信號，執(zhí)行仿真[8]。WM8731音頻編解碼芯片仿真時序圖如圖5所示。

圖5中，音頻位時鐘bclk上升沿到來時，即可發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的特定一位。音頻信號幀時鐘adclrc/daclrc用來切換左右聲道。當音頻數(shù)據(jù)模式為左對齊時，adclrc/daclrc高電平期間，音頻數(shù)據(jù)在左聲道傳輸，低電平時，音頻數(shù)據(jù)在右聲道傳輸，左右聲道傳輸相同音頻數(shù)據(jù)。由時序圖可知WM8731音頻編解碼芯片配置成功。

4　結(jié)束語

本文將Xilinx FPGA片上音頻編解碼芯片WM8731應(yīng)用于紫外光通信系統(tǒng)中，用以提高系統(tǒng)的集成度。ModelSim仿真結(jié)果表明，WM8731性能良好，工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠。但是，在使用該芯片時需要對其進行正確的配置，另外，由于時鐘頻率的設(shè)定對系統(tǒng)信息速率的影響較大，因此，將該芯片應(yīng)用在紫外光語音通信中時需要進一步優(yōu)化其性能。

圖5　WM8731音頻編解碼芯片仿真時序圖

參考文獻：

[1]范靜濤，丁瑩，姜會林.紫外光通信的散射信道簡化模型[J].紅外與激光工程，2012,41（4）：1028-1033.

[2]占楊林,劉紅.基于FPGA和WM8731的音頻編解碼系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[C].大連：中國通信學會青年工作委員會,2009.

[3]王杰玉，杜煒，潘紅兵.基于FPGA的音頻編解碼芯片接口設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（5）:179-181.

[4]陳鐵.基于FPGA的無線光音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北方工業(yè)大學，2014.

[5]韓廷義，李航，李岳.基于FPGA的音頻芯片輸出控制設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2013，32（5）:94-97.

[6]季宏鋒,吳軍輝,徐立鴻. I2C總線技術(shù)及應(yīng)用實例[J].自動化與儀表, 2002（04）:21-23,76

[7]蘇進.異步FIFO存儲器的設(shè)計[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007.

[8]田耘，徐文波. Xilinx FPGA開發(fā)實用教程[M].北京：清華大學出版社，2008.

Control and application of WM8731 in ultraviolet voice communication

GONGJia-min1, ZHANGZheng-jun1, XINGRen-ping2, XUJia-chi1, WANGBei-bei3, LIUHua-bo4
(1. School of Electronic Engineering, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China; 2. China Telecom Corporation Limited Qinghai Branch, Xining 810000, China; 3. School of Communication and Information Engineering, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121, China;
4. School of Science, Xi'an University of Posts and Telecommunications, Xi'an 710121,China)

Abstract:The paper introduces the components and key technologies of UV communication system, discusses the application of the audio chip WM8731 in UV voice communication system, proposes some solutions to key problems, such as voice storage, voice data format enactment and voice transmission control. The paper realizes the control of voice signal transmission on ISE13.1 with Verilog HDL, in order to verify the chip configuration whether satisfy the design requirements, the timing of some important signals are simulated on ModelSim simulation software.

Key words:Xilinx FPGA, WM8731 audio codec chip, UV voice communication system

中圖分類號：TP335

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）01-0015-04

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.01.005

收稿日期：2015-10-19。

基金項目：西安郵電大學研究生創(chuàng)新基金項目（CXL2014-05，CXL2014-31）資助。

作者簡介：鞏稼民（1962-），男，教授，博士，主要研究方向為光通信技術(shù)和非線性光學。