基于以太网的音频传输单元的设计及实现

论文摘要

本课题中研究和实现了基于以太网技术的音频传输单元，基于以太网技术的音频传输单元的功能是利用廉价普及的以太网实时传输多路高质量音频信号。该设备可以通过一根普通5类线实时传输多达16路24bit、48kHz未压缩音频信号，并允许音频数据与标准以太网数据包共存。网络音频信号的输入输出可以自由选择、切换和路由，具有相当大的灵活性和高性价比，克服了复杂的音频工程方面模拟系统的局限性，简化了网络设计、安装和设备的管理，满足了专业音频传输、分配系统数字化、网络化需求。传统的音频系统中，音频轨道都要与一条音频电缆相连；多房间、长距离安装复杂；音频内容的管理和监控都需要附加硬件设备和电缆；音频路由需要人工接线或昂贵的音频传输单元，系统的重新配置也是复杂而耗时的过程。基于以太网技术的音频传输单元可以利用5类线同时传输音频和控制数据；音频设备可以通过以太网独立监控；音频数据可以传输到单个或多个目的地；音频路由可以通过更改地址信息轻易地完成。本文的重点是介绍基于以太网技术的音频传输单元中FPGA模块逻辑设计和实现，以及AES数字音频I／O模块原理图及PCB设计和实现。项目中采用Xilinx公司集成开发环境ISE4.2作为开发工具，进行了HDL代码编写、功能仿真、综合、布局布线及可编成BIT文件生成等。最后，将可编程BIT文件转换为第三方支持mCS文件格式。FPGA模块实现功能：音频选路、正弦波产生、ADC定标控制、LED显示控制等。同时，利用单片机实现了FPGA配置程序加载。本文还对系统进行了测试，包括AES数字I／O模块调试、FPGA逻辑功能调试及系统联调。通过测试，基于以太网技术的音频传输单元完全达到了设计要求。基于以太网技术的音频传输单元完全符合AES／EBU硬件规范，满足专业音频传输、路由需求。最后，本文还重点介绍了以太网控制器的FPGA设计与实现。首先介绍了以太网的基本原理，然后介绍了以太网控制器程序的主要结构和主要功能模块的实现，并对以太网控制器的功能进行了验证。验证结果表明，利用FPGA实现的以太网控制器满足设计要求。本人在项目中完成的主要工作：与项目组成员合作完成系统方案设计及FPGA器件选型工作FPGA程序(RTL，Testbench)编写同步FIFO设计与实现FPGA配置的MCU实现以太网控制器FPGA程序的顶层架构设计及各个模块实现AES数字I／O模块原理图及PCB设计系统调试及产品实现

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 音频传输、路由的现状
• 1.2 音频传输、路由的发展趋势
• 1.3 课题的研究内容
• 第二章 系统方案的设计
• 2.1 音频传输系统的基本组成与基本原理
• 2.2 数字音频处理器的选择方案
• 2.3 外部存储器的选择方案
• 2.3.1 外部存储器介绍
• 2.3.2 存储器选择
• 2.4 网络控制器的实现方案
• 2.5 FPGA的选择方案
• 2.6 ADC及DAC的选择
• 2.7 系统的总体方案设计
• 第三章 基于以太网的音频传输单元的设计与实现
• 3.1 基于以太网的音频传输单元的工作原理、框图
• 3.1.1 FPGA模块的工作配置
• 3.1.2 FPGA模块的功能定义和框图
• 3.2 FPGA模块的实现
• 3.2.1 音频路由功能的实现
• 3.2.2 同步FIFO设计
• 3.2.3 ADC芯片定标模块实现原理
• 3.2.4 正弦波产生模块及其FPGA实现
• 3.2.5 LED模块实现
• 3.2.6 时钟信号的处理
• 3.2.7 音频路由功能仿真
• 3.3 FPGA配置的实现
• 3.3.1 FPGA加载的数据流格式
• 3.3.2 FPGA上电配置过程
• 3.3.3 Express模式FPGA配置的实现
• 3.3.4 可编程配置文件的生成
• 3.4 FPGA模块设计中遇到的问题
• 3.4.1 信号毛刺的产生及消除
• 3.4.2 时钟问题
• 3.4.3 状态机设计的一般原则
• 3.5 小结
• 第四章 AES数字音频I/O模块设计
• 4.1 I2S协议介绍
• 4.2 数字音频接口规范
• 4.2.1 线路驱动器特性
• 4.2.2 线路接收器特性
• 4.3 AES数字I/O模块原理图设计
• 4.3.1 数字信号输入、输出处理
• 4.3.2 时钟信号处理
• 4.3.3 AK4114芯片应用设计
• 4.3.4 外围电路设计
• 4.4 AES数字I/O模块PCB设计
• 4.5 小结
• 第五章 以太网控制器的FPGA设计与实现
• 5.1 以太网基本原理
• 5.1.1 以太网协议的参考模型
• 5.1.2 MAC子层
• 5.1.3 媒体无关接口（Media Independent Interface）
• 5.2 以太网控制器（MAC）的基本框架
• 5.3 以太网控制器（MAC）程序的实现
• top'>5.3.1 顶层程序-eth_top
• 5.3.2 媒体无关接口模块（Media Independent Interface Module）
• 5.3.3 数据发送模块
• 5.3.4 数据接收模块
• 5.3.5 控制模块
• 5.4 程序的仿真与测试
• 5.4.1 顶层程序
• 5.4.2 外部PHY芯片模拟程序
• 5.4.3 仿真结果
• 第六章 系统调试
• 6.1 AES数字音频I/O模块调试
• 6.2 FPGA模块调试
• 6.3 系统联调
• 6.4 基于以太网的音频传输单元性能指标
• 6.5 小结
• 第七章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 附录