基于FPGA的野外聲音采集系統的硬件設計

孫衛寧 農浩 黃德華

【摘 要】自然保護區有著極為豐富的自然資源，很多保護區還擁有獨特的人文歷史，因此成為生態旅游活動的重要場所。旅游對保護區野生動物的影響很大，旅游噪聲污染是影響野生動物行為的最主要的因素。如何監測和控制自然保護區的噪聲污染，已成為迫切需要攻克的科研項目。文章基于FPGA嵌入式系統實現對野外的聲音進行24 h不間斷采集和處理，為自然保護區聲觀生態學研究積累本底數據和構建研究基礎，對指導廣西自然保護區的生態保護行為具有戰略價值和現實意義。

【關鍵詞】FPGA;聲音采集;硬件開發

【中圖分類號】TN912.3 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0058-04

本項目研究基于FPGA嵌入式系統實現對野外的聲音采集和處理，項目主要進行硬件系統的設計，對聲音進行采集和存儲，根據野外采集到的聲音進行提取，如蟲鳴、動物叫聲、人聲、雷聲等。

1 音頻的采集和分析

物體由于振動而產生聲音，聲音也是一種波，頻率和振幅是它的兩個重要的屬性，頻率對應音高，振幅對應聲音大小。聲音可以被分解為不同頻率、不同強度正弦波的疊加。一般我們把頻率、振幅和波形視作聲音的3個基本特征。頻率是指在單位時間內物體振動時振動的次數，它的測量單位為赫茲，頻率越高，音調越高。振幅是在振動時物體偏離中心位置的幅度大小，表示物體振動的范圍和強度，振幅越大，響度越大。波形是指波的圖像，頻率不同時，波形表現出彈簧式的伸縮;振幅不同時，波形表現出山峰式的起伏。了解聲音的特征后，就可以對聲音進行采集，首先使用傳感器把聲音信號轉成電信號，也就是模擬信號，然后通過A/D轉換，把模擬音頻轉成數字音頻。在對模擬信號采樣中，采樣的頻率和采樣的位數決定了采樣的質量。采樣頻率表示采樣的速度，即一秒鐘時間內采集聲音樣本的數量，采樣頻率越高，說明單位時間采集的樣本數越多，重放時越能還原真實聲音，聲音越自然。采樣頻率單位是Hz（赫茲）。22.05 kHz、44.1 kHz、48 kHz這3個采樣頻率是日常工作常遇到的。在解決工程設計問題中我們常選擇這些頻率，FM廣播的聲音大多選用22.05 kHz，CD唱片則選擇44.1 kHz，人類的耳朵無法分辨48 kHz以上的聲音，高于48 kHz的采樣頻率在工程應用中沒有實際意義[1]。根據奈奎斯特定律，在進行模擬信號轉換成數字信號的轉換過程中，必須大于被采樣信號的帶寬。如果信號的帶寬是100 Hz，那么為了避免混疊現象，采樣頻率必須大于200 Hz。換句話說就是采樣頻率必須至少是信號中最大頻率分量頻率的2倍，才不會產生失真。采樣的位數就是處理聲音解析度，也叫量化位數，目前常用的有8位、16位、24位的采樣位數。當量化精度為8位時，一共有256個不同的量化值;當量化精度為16位時，有65 536個不同的量化值。量化的精度越大，聲音的辨析度越大，聲音特征越好，能更容易分辨出不同的聲音。

音頻編碼采用脈沖編碼調制方式，脈沖編碼調制（Pulse Code Modulation，PCM）是由A.里弗斯于1937年提出的，這一概念為數字通信奠定了基礎。PCM是最簡單的波形編碼形式，它直接把音頻信號量化，表示成二進制信號，通過串并轉換過程轉換為串行的脈沖，并用脈沖對樣本幅度進行編碼，故稱為脈沖編碼調制（PCM）[2]。脈沖編碼調制就是把一個時間連續、取值連續的模擬信號變換成離散時間信號的過程。

2 硬件系統設計

硬件系統主要分為聲音數據采集模塊、模數轉換模塊、數據存儲模塊等，采集模塊把采集到的聲音通過傳感器進行聲電轉換，通過運放電路對信號進行放大，得到滿足要求的電信號，輸出到A/D數據轉換模塊，采用wm8782高性能、低成本的立體聲音頻AD轉換芯片，對信號進行模數轉換;以FPGA為核心的CPU，從A/D芯片中得到音頻數據，根據在FPGA預定義好的聲音模型對音頻數據進行采樣分析，對音頻數據進行比對，把混合的音頻數據分離，按不同的類型進行分類，再把分離的音頻數據通過數據總線發送到SD控制芯片，由SD控制芯片把數據寫入SD卡中進行保存。硬件系統如圖1所示。

2.1 FPGA的選型

Altera是一家可編程邏輯器件的生產商，提供多種嵌入式產品，Cyclone系列提供低功耗、低成本、性能較好的設計需求，包括了時鐘管理、存儲器和存儲器的IO接口等。Cyclone IV E FPGA體系結構包括115 K垂直排列的LE、以9-Kbit（M9K）模塊形式排列的4 Mbits嵌入式存儲器，以及266個18×18嵌入式乘法器，實現小于1.5 W的總功耗，產品廣泛應用于汽車、計算機和消費電子等領域。

Cyclone系列實現了陣列門的自定義設計功能，擁有比較豐富的引腳和IO接口，能夠實現復雜的邏輯關系設計、數據管理和數據的并行計算。

2.2 信號采集

一般采用駐極體話筒進行聲電的轉換，駐極體話筒具有體積小、結構簡單、電聲性能好等優點，屬于最常用的電容話筒。

駐極體話筒的基本結構由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干個小孔的金屬電極（稱為背電極）構成。駐極體面與背極相對，中間有一個極小的空氣隙形成一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質，以背極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構成一個平板電容器[3]。在駐極體薄膜上分布有自由電荷，當有聲音傳到駐極體話筒時，駐極體薄膜產生振動，平板電容器的容量發生變化，引起電容兩端電壓發生變化，產生電信號，實現聲電的轉換過程。

2.3 信號放大

駐極話筒產生微弱的電信號后，需要進行信號的放大，采用Maxim推出的低成本、高品質的麥克風放大器MAX9814放大模塊（如圖2所示），具有噪聲的前置放大器、可變放大器、輸出放大器和控制電組成，可以對聲音大小進行自動控制。當聲音在近處發出時，如果聲音比較大，則降低增益，避免聲音的失真;當聲音在遠處發出時，如果聲音比較小，則提高增益，增加聲音清晰度。輸出放大器可以提供8 dB、18 dB、20 dB增益選擇，信號采集經過MAX9814放大后，從MICOUT端輸出，接入AD模塊。

MICIN為采集信號輸入。MICOUT為信號放大輸出。BIAS為放大器偏置。CT定時電容連接，將電容連接至CT控制AGC的啟動時間和釋放時間。GAIN為三態放大器增益控制，GAIN=VDD，增益設置為40 dB;GAIN=GND，增益設置為50 dB;GAIN=懸空，無壓縮增益設置為60 dB。

2.4 信號的AD轉換

wm8782是一種高性能、低成本的立體聲音頻AD轉換芯片（如圖3所示），提供立體聲線路電平輸入和兩個控制輸入引腳，允許在3種標準的音頻接口模式運作。一個內部運算放大器集成在芯片的前端，提供模擬輸入信號大于1 Vrms。該芯片還具有高通濾波器，以消除殘留的直流偏移。

wm8782提供主或從模式時鐘方案，能通過控制管腳輸入改變主、從工作模式，數字音頻輸出支持16～24 bits和8～192 kH。

wm8782特性：信噪比為100 dB（'A'加權@ 48 kHz）;THD-93dB（在-1dB）;采樣頻率為8 ～192 kHz;主或從時鐘模式：系統時鐘（MCLK）分別為128 fs、192 fs、256 fs、384 fs、512 fs、768 fs。音頻數據接口模式：16～24 bit I2S，16～24位左，16～24位右對齊。電源電壓：模擬2.7～5.5 V;數字內核2.7～3.6 V。

主模式采樣頻率見表1。采樣率選擇見表2。FSAMPEN引腳控制ADC采樣率，WM8782可以在8 kHz采樣率從操作到192 kHz。WM8782工作的最佳頻率為6.144 MHz。

2.5 數據存儲

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導體閃存工藝的存儲卡，擁有高容量、快速的數據傳輸率、攜帶方便等特點，它被廣泛地應用于便攜式裝置上。數據存儲使用SD卡的SPI模式進行數據的讀寫操作。

SPI總線是Motorola公司提出的一個同步串行外設接口總線協議，采用主從方式進行通信，一般有一個主設備和一個或多個從設備，使用至少4個端口，主要有主機輸入從機輸出MISO、主機輸出/從機輸入MOSI、串行時鐘SCK、CS使能信號。數據傳輸時，首先主控芯片發出CS使能信號，通知相應的從芯片數據傳輸;其次主控芯片時鐘的下降沿將數據發送出去，在時鐘的上升沿讀取數據;最后把得到的數據存儲到寄存器，換成串行數據存儲到SD卡，主控芯片撤銷CS信號，SPI傳輸結束[7]（如圖4所示）。

SD卡的通信協議是一種簡單的命令/響應的協議。全部命令由主機發起，SD卡接收到命令后返回響應數據。SD卡上電后，進入“Idle”狀態，通過命令，進行卡識別，主機會給SD卡假設一個工作電壓，并發送一個工作電壓CMD0復位命令給SD卡，為了驗證電壓，SD卡通過CMD8命令分析操作條件是否正確，如果卡能夠在支持電壓下操作，響應會傳回命令參數里設置的支持的電壓和檢測模式，如果卡不能在支持電壓下操作，就不會發送響應，并保持在“idle”狀態。主機對能正確識別的卡，順序發送命令進行初始化，確定SD卡的類型（例如：標準卡或高容量）和數據的傳輸模式等。

主機和SD卡之間是通過尋址命令點對點進行的。通過尋址命令的應答來開始或停止數據傳輸，讀命令有塊讀（CMD17）、多塊讀（CMD18）、發送寫保護（CMD30）、發送SCR（ACMD51），以及讀模式的通用命令（CMD56）;寫命令有塊寫（CMD24和CMD25）、編程CSD（CMD27）、鎖定/解鎖命令（CMD42），以及寫模式的通用命令（CMD56）。SD卡讀寫操作如圖5、圖6所示。

參 考 文 獻

[1]趙磊.基于FPGA的音頻信號處理的設計與實現[D].成都：電子科技大學，2012：17-18.

[2]龐維.基于FPGA的數字音頻系統的設計[D].長春：吉林大學，2006：7.

[3]趙洪.駐極體話筒的結構、原理與正確使用[J].電子制作，2003（11）：58.

[5]Electronic Components Datasheet Search.MAX9814 DataSheet Maxim Integrated Products[EB/OL].http：//www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/27128/MA-

XIM/MAX9814.html，2017-12-08.

[6]Datasheet Archive Search Engine.WM8782 DataS-

heet Wolfson Integrated Products[EB/OL].http：//

www.datasheetarchive.com/WM8782-datasheet.html，2016-08-12.

[7]唐磊.基于FPGA的SD卡控制器設計[J].器件與電路，2011（3）：30.

[8]Matsushita Electric Industrial Co.，Ltd.（Panasonic）SanDisk Corporation Toshiba Corporation.SD Spec-

ifications Part 1 Physical Layer Simplified Specifica-

tion Version 2.00 SD[Z].2006：7-8.

[責任編輯：鐘聲賢]