FPGA在音频产品上的应用案例

一、 FPGA 是什么?

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，现场可编程逻辑门阵列，它是一种电子设备，用于执行任何(数字)逻辑功能或数字电路的硬件实现。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。

FPGA结构主要由基本逻辑单元-可编程逻辑阵列块(LAB)、可编程输入输出单元(I/O)和内部连接线(Interconnect)即可编程布线资源等部分构成。

图 1 FPGA 结构

二、 FPGA的优点

1. 设计灵活：属于硬件可重构的芯片结构，内部设置数量丰富的输入输出单元引脚及触发器。

2. 兼容性强：FPGA 芯片可与 CMOS、TTL 等大规模集成电路兼容，协同完成计算任务。

3. 并行计算：FPGA 内部结构可按数据包步骤多少搭建相应数量流水线，不同流水线处理不同数据包，实现流水线并行、数据并行功能。

4. 适用性强：是专用电路中开发周期最短、应用风险最低的器件之一。

5. 快速开发：FPGA 芯片产品可快速切入应用市场，具备不可替代性。

三、 FPGA 在音频产品上的应用

1. 数字信号处理：FPGA 可以用于实现各种数字信号处理算法，例如滤波、均衡、压缩、解压缩、编码、解码等。

2. 数字音频接口：FPGA 可以用于实现各种数字音频接口，例如 I2S、PCM、AES/EBU 等。这些接口可以用于音频的输入和输出，例如将音频信号从麦克风或其他音频设备中采集出来，或将音频信号输出到扬声器或其他音频设备中

3. 音频编解码器：FPGA 可以用于实现各种音频编解码器，例如 MP3、AAC、WMA、FLAC 等。这些编解码器可以用于将音频信号压缩和解压缩，以减小音频数据的大小，从而节省存储空间和传输带宽。

4. 数字音频放大器：FPGA 可以用于实现数字音频放大器，将音频信号放大到适当的水平，以驱动扬声器或其他音频设备。数字音频放大器可以提供更高的效率和更低的失真，从而提高音频的质量。

四、 应用案例

1. 主动降噪技术与接口扩展

扩展 I2S 接口，满足智能音箱需要外接 7 个以上麦克风阵列时的应用场景

图 2 FPGA

方案特性：

实现应用处理器的多路 I2S 接口扩展

实现 PDM 信号处理

实现回声抵消、噪声抑制和唤醒等声音处理

低功耗、小封装、低成本

推荐芯片：京微齐力 HME - HR03

低功耗，高性价比 FPGA

40nm UMC 低功耗工艺 768 到 3072 个 4 输入查找表(LUT)，采用先进的逻辑结构，精确映射设计

128 位 AES 配置文件密钥及用户自定义安全 ID

内嵌可配置存储器，PLL 及片上晶振

用户可配置 IO，最多可提供 80 对 LVDS IO

多种小封装可选，最小支持 1.5mm x 1.5mm 封装

2. 远程语音识别方案

单芯片完成麦克风阵列的远场语音消噪、语音增强、语音唤醒等声音预处理功能，之后 CPU 将处理完的声音数据上传到云端或本地PC/手机等终端;

图 3 FPGA 语音处理和上传

推荐芯片：京微齐力 M7 系列

实现了高性能 ARM Cortex-M3 内核与大容量 FPGA 的无缝结合

FPGA 逻辑单元高达 12K

2 个 12 位 1MSPSADC 模块

丰富的 I/O 资源与封装，以硬核形式整合以太网、USB、CAN、DMA 控制器以及 DDR 控制器等外设

高精度 PLL 及时钟网络

灵活的 DSP

基于 Efuse 和 SPI 的保密机制

超高系统性价比