語音通信電臺是當今軍事指揮、工業調度和日常生產活動中主要的溝通設備，其通信質量與抗干擾能力將對國防和經濟建設產生直接影響。語音電臺抗干擾客觀評估系統（以下簡稱評估系統）通過數字信號處理算法比較在發送電臺端錄取的標準語音文件與在接收電臺端錄取的失真語音文件之間的信號特征，給出語音電臺的抗干擾性能參數。由于語音信號是按照每 20 ms 一個語片進行處理，故對語音信號的對準提出了較高的要求，為了達到較高的評估精度，對準誤差應小于 1 ms。

為了滿足上述技術指標，本文采用當前剛剛興起的 SOPC（System On a Programmable Chip）技術在 FPGA（Field Programmable Gate Arr ay）平臺上設計了一種帶有時標的嵌入式語音信號錄取系統。本系統通過捕獲 GPS（Global Positioning System）系統的授時信息和秒脈沖信號，觸發 SOPC 系統中 NiosⅡ嵌入式軟核處理器進入外部中斷，調用中斷處理函數啟動音頻 Codec 芯片 WM8731，對 Line-in 通道輸入的模擬語音信號進行 48 KSPS 采樣率、16 b 采樣精度的錄取，將觸發錄取的時間信號作為時標與錄取得到的數據按照特定數據格式進行打包和封裝，并利用 FAT 文件系統將封裝好的數據存儲到 SD 卡（Secure Digital Card）中。由于 GPS 秒脈沖前沿可以達到微秒級精度，加之 WM8731 控制接口采用 Verilog 語言編寫，從而保證了絕對時間誤差遠遠小于 1 ms 的技術要求。

1、 系統組成

SOPC 是基于可編程邏輯器件的可重構片上系統（SOC），它集成了硬核或軟核 CPU、DSP、鎖相環、存儲器、I／O 接口及可編程邏輯，由于具有設計靈活、研制周期短、開發成本低等優點，已經逐步應用在通信、工控、信號處理等諸多領域。

為了給評估系統提供高精度、帶有時標的語音數據源，本文采用 SOPC 技術在 FPGA 平臺設計了一套帶有時標的嵌入式語音信號錄取系統（以下簡稱錄取系統）。錄取系統由片上系統和外圍系統兩部分組成。片上系統包括：NiosⅡ嵌入式軟核處理器、GPS 控制器、SD 卡控制器、SDRAM 控制器、Audio 控制器、Ethernet 控制器、GPIO 控制器以及內部 Avalon 總線；外圍系統包括：GPS 接收機 M12MT、SD 存儲卡、SDRAM 存儲芯片、Audio Codec 芯片 WM8731、Ethernet 物理層芯片 DM9000A 和傳輸變壓器以及按鍵和 LED 等輸入與顯示器件等。

2、 硬件結構設計

在 FPGA 平臺上設計 SOPC 系統為本文的核心工作。FPGA 芯片選擇 Altera 公司 CycloneⅡ系列的 EP2C35F672C6N，其具有 33 216 個邏輯宏單元、105 個 M4K 存儲單元、4 個鎖相環以及 475 個通用 I／O 口。FPGA 開發環境采用 QuartusⅡ，嵌入式系統開發環境采用 SOPC Buildero 由于 Nios Ⅱ嵌人式軟核 CPU、SDRAM 控制器、Ethernet 控制器和 GPIO 控制器都是 SOPC Builder 中集成的通用 IP 核，直接調用即可，故本文不做詳細介紹，下面對 GPS 控制器、Audio 控制器和 SD 卡控制器進行詳細介紹。

2．1 GPS 授時系統的設計

本設計中所使用 M12MT 是一款 5 V 供電、RS 232 電平 NAEA 0183 格式串行輸出、TTL 電平秒脈沖（PPS）輸出型 GPS 模塊，由于 FPGA 芯片 I／O 口是 3．3 V 電平，故需要進行電平轉換，串口電平轉換采用美信（Maxim）公司生產的 MAX3232 芯片，秒脈沖信號由 TI 公司生產 SN74AHC1G04 單緩反向器芯片生成。

由于 SOPC Builder 中的 UART 核通信協議可以與 GPS 串口輸出協議兼容，故本設計中經過電平轉換的信號與片內 UART 核相連，其參數設為：波特率為 9 600b／s、1 個起始位，1 個停止位，無校驗位。秒脈沖經電平轉換后與 PIO 控制器相連，其參數設為輸入模式、帶有中斷功能、邊沿觸發中斷、下降沿觸發中斷。

2．2 音頻采集系統的設計

為了達到較高的錄音品質，本設計中選用 Wolfson 公司生產的音頻 Codec 芯片 WM8731，其最高可支持 96 KSPS 采樣率、24 b 采樣精度的立體聲輸入／輸出。考慮到語音電臺抗干擾評估系統的特殊要求和存儲空間、處理速度等條件的限制，本設計中通過軟件設置，使 WM8731 工作在 48 KSPS 采樣率、16 b 采樣精度、單聲道的工作模式下。

WM8731 的控制接口和音頻數據接口分別采用 I2C 總線和 I2S 總線，由于控制總線數據量較少，加之 I2C 總線時序比較簡單，故采用程序控制 PIO 模擬 I2C 總線的方式對其進行控制；由于數據總線數據量較大，并且必須保證數據的完整性，本設計采用 Verilog 硬件描述語言編寫了一個 Audio 控制器，完成采樣控制、數據緩存以及與 Avalon 總線接口等功能。

Audio 控制器由有限狀態機（FSM）、數據緩存器（FIFO）和總線接口三部分組成。FSM 完成 WM8731 數據讀寫的控制、FIFO 讀寫與存儲狀態控制以及總線接口控制。FIFO 用來緩沖 WM8731 采集得到的數據，防止數據丟失，并使系統工作在異步模式，大大提高了 CPU 的工作效率。總線接口作為橋梁，用以連接 NiosⅡ和 FIFO。

2．3 數據存儲系統的設計

為了實現大容量數據存儲，本采集系統選用當下比較流行 SD 卡作為存儲介質。由于 SD 卡采用的是串行讀寫方式，時序較為復雜，且其數據量較大，故采用 Verilog 編寫了 SD 控制器。Avalon Interface FSM 與 Avalon 總線相連接，用來完成控制器與 NiosⅡ處理器通信；SD Card Interface 與 SD 卡相連，完成數據的串／并轉換和時序控制。

3、 軟件程序設計

本采集系統軟件在 Nios EDS 環境下進行開發，由于程序中只有一個線程，結構比較簡單，故并未采用操作系統。主程序在完成各個模塊初始化后進入等待狀態，GPS 的串口數據、PPS 觸發信號和按鍵觸發信號采用中斷形式，利用中斷服務子函數完成各項功能。

3．1 時間信息的解析

由于 GPS 接收機 M12MT 具有多種數據輸出格式，其中時間格式默認為為格林威治標準時間，故為了保證數據解析的正確性，在系統啟動后首先對 GPS 接收機進行初始化，使其時區設定為 GMT+8，每秒鐘串口輸出一組數據，格式采用@@Eq 形式。

由于 UART 控制器每收到 1 個字節即產生一個中斷，故 NiosⅡ處理器首先需要對接收到的數據進行緩存，當收到 5 個字節后判斷是否是報頭，如果是報頭就繼續接收，否則計數器清零并重新進行緩沖。在報頭解析正確后，處理器將所有報文依次接收并存儲到緩沖區中，緩沖區中的前 18 位即是時間數據，其格式為 mm，dd，yy，hh，mm，ss。

需要特別說明的有兩點：第一，由于每一秒的 PPS 信號早于串口數據的輸出，故處理器需要對接收到的時間加 1 s，而后利用下一個 PPS 信號進行觸發；第二，GPS 接收機在鎖定 3 顆以上衛星時時間數據才具有可靠性，故需要判斷報文中的 fix 標志位，如果 fix 位是 1，這表明衛星已鎖定，時間信息可靠，PPS 信號可以作為觸發信號。

3．2 采集數據的封裝

Audio 控制器輸出的數據是按照采樣時刻先后順序生成的一系列二進制數值點，為了加入起始時刻的時間標志，同時便于評估系統進行后續處理，本錄取系統對采樣起始時刻和采樣數據進行封裝。首先將采樣數據封裝成 WAV 文件格式，加入相應的格式標志、采樣率、采樣精度、聲道數、數據長度等信息，然后再在 WAV 文件的前面加入二進制的時間信息形成 DAT 格式文件。評估系統通過 DAT 文件中的時間信息和 WAV 文件中的采樣率等信息即可計算出每個采樣點的絕對時間。

3．3 文件系統的引用

為了提高 SD 卡存儲的兼容性，便于通用計算機對 SD 卡的寫入和讀取，本錄取系統利用 FAT 文件系統對 SD 卡進行讀寫操作。由于處理器中沒有使用操作系統，故需要自己移植文件系統和編寫底層驅動函數。

本錄取系統中的文件系統采用層次結構設計，共分為 3 層，即硬件描述層（HAL）、功能層和應用層。硬件描述層完成 SD 卡檢測、控制命令的寫入、數據的讀寫等功能；功能層完成塊數據的讀寫、查找、替換等功能；應用層完成格式化、文件建立與刪除、文件寫入與讀出等功能。主函數調用應用層的功能函數即可完成對 SD 卡的文件操作。

4 、結論

本文介紹了一種利用 SOPC 技術在 FPGA 平臺上實現帶有時標的嵌入式語言信號錄取系統，不但論述了錄取系統的結構組成與工作原理，而且對 GPS 控制器、Audio 控制器、SD 卡控制器等硬件設計和 GPS 時間解析、采集數據的封裝、文件系統的引用等軟件編寫進行了詳細的介紹。經實際使用驗證，本錄取系統能夠在 GPS 時間觸發下完成語音信號的錄取，錄取得到的數據帶有時標信息，能夠滿足語音電臺抗干擾客觀評估系統的技術要求。

審核編輯 黃昊宇