AES音频数据流之间的异步采样率转换

文章摘要：数字视频和音频技术的广泛使用和不断革新，推动了音/视频广播 (AVB) 设备的快速发展。今天的 AVB 设备需要更高的图像质量、分辨率、更高的带宽和更多的音/视频处理通道，并且需要将从前彼此独立但实际上相互关联的功能(例如 HD-SDI、音频多路传输和解复用，以及异步采样率转换 (ASRC) )组合在一起。Xilinx FPGA 通过不断地将集成度低、复杂且昂贵的ASSP芯片功能组合在一起，来满足客户对于集成度的需求。利用像 DSP48E 和 block RAM这样用来 实现复杂的滤波功能的芯片特性。ASRC作为一种ASSP芯片实现的功能，可以被集成到 Xilinx FPGA 中。同样，免费提

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数字视频和音频技术的广泛使用和不断革新，推动了音/视频广播 (AVB) 设备的快速发展。今天的 AVB 设备需要更高的图像质量、分辨率、更高的带宽和更多的音/视频处理通道，并且需要将从前彼此独立但实际上相互关联的功能(例如 HD-SDI、音频多路传输和解复用，以及异步采样率转换 (ASRC) )组合在一起。

　　Xilinx FPGA 通过不断地将集成度低、复杂且昂贵的ASSP芯片功能组合在一起，来满足客户对于集成度的需求。利用像 DSP48E 和 block RAM这样用来 实现复杂的滤波功能的芯片特性。ASRC作为一种ASSP芯片实现的功能，可以被集成到 Xilinx FPGA 中。

　　同样，免费提供的Xilinx 应用指南和参考设计，同样可以满足客户对集成复杂算法的需求。ASRC 参考设计正确地处理了同步采样率转换和大多数音/视频产品所需要的更复杂的ASRC。

　　许多ASSP芯片和FPGA IP供应商提供较简单的“仅使用同步的”方法，每条音频通道的资源利用率较小;但是，当应用于异步应用时，这些方法会产生下面这些问题：

　　延迟的积累导致输入到输出延迟的变化

　　音频中会产生噪声，例如漏采样或重复采样两种情况都表现出不希望出现的失真。

　　理解采样率转换

　　在深入了解数字采样率转换理论之前，先来看一看音/视频工程师正在试图解决的基本问题。在少量的应用中，可以使用速率固定的同步转换，例如使用同样的时钟源，或由输入时钟产生的输出时钟来将 48kHz 的输入转换为 44.1kHz的输出。但是，更可能出现的情况是异步转换，输入和输出时钟是完全独立的，例如在两块电路板之间的音频通信。不同的时钟振荡器可以有相同的标称频率，但存在着百万分之几的差别。 Xilinx ASRC 参考设计对于具有独立输入和输出时钟的异步应用，提供了两项重要的而且困难的设计功能：

　　自动准确地监视输入到输出的采样率之比和采样率的变化

　　在线动态调节滤波器函数(滤波器系数)，从而实现性能最大化

　　使用FPGA来支持数字音频ASRC，意味着能够极大地降低系统中每个SDI 接口的成本，并且，在很多系统中，存在许多通道。

　　Xilinx ASRC IP具有很高的性能，其最差情况下的输入到输出信噪比为?125dB。它还能支持多个音频输入频率到多个音频输出频率的转换。采样率转换算法能够在线动态进行调节，以保持最高性能，这样，设计人员就无需特别关注输入和输出时钟。可以使用运行在如图1所示的 Xilinx ML571 串行数字视频演示板上的 IP 来验证所有这些功能。而且，这些广泛的功能和高性能的 ASRC IP 都是免费的。

　　

　　图1 ML571板和帧同步演示板使用ASRC来匹配输出数字音频采样率和输出数字视频采样率

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　　在ML571上实现ASRC的实例

　　被称为视频帧同步的简单功能，很 好地展示了 ASRC的主要用途。视频信号能以某一速率被存储到帧缓存器中，并以另一个稍微不同的速率被取出。如果视频设备的两个部分之间没有被“同步锁相”，并且工作在不同的像素率下，这一过程将十分有用。

　　结果是偶尔需要添加或丢弃一帧视频数据。人眼可能不会注意到在电视屏幕上添加或丢弃的视频帧，但人耳却能很好地发现在音频上类似的差异。解决方案是在开始的视频数据流中先去除音频数据，随后再将其插入到具有微小数据率变化的数据流中，并使输出 音频的采样率与新的输出视频的采样率相匹配。Xilinx ASRC 参考设计十分适合完成这样的任务。

　　例如，让我们将两块由不同的时钟振荡器导致的SDI视频采样率有微小差别的板卡连接在一起。接收板将嵌入的AES数字音频信号从视频流中分离出来，并将其送至 ASRC。需要使用帧缓存同步逻辑，通过添加或丢弃视频帧，来处理两块板卡间时钟频率的差异。ASRC 调节解嵌的音频，来与输出视频流的时钟速率匹配，使其能被重新嵌入到输出 SDI 视频流中。(需要使用帧缓存同步逻辑，通过添加或丢弃视频帧，来处理两块板卡间时钟频率的差异。ASRC 调节去嵌入音频，来与输出视频流的时钟速率匹配，使其能被重新嵌入到输出SDI 视频流中。)

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