枫影FX-1000 数字音频播放系统设计思想 [复制链接]

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目标已经定下，剩下将是艰苦、漫长而且是枯燥的设计部分了，首先是要确定数字部分的架构。数字部分要实现的功能分三大块，通讯、存储、计算。FX1000大部分设计开发工作都是围绕这部分来展开的，工作量很大也很乏味，但这又必须认真仔细去完成的工作。
为了实现这些功能，经过一段时间的思考，我们选定了ARM+FPGA的架构，ARM(32位RISC CPU)用来完成通讯与存储部分的工作，FPGA（现场可编程逻辑）用来完成粘合逻辑与计算部分的工作。

通讯部分，这部分基本上可以按部就班的来做，因为相关的协议早已定下，按此完成即可，可能用很多人问：时钟怎么办？的确，是通讯都会要涉及到时钟的问题，特别是时钟抖动问题，这直接影响到数据是否能够被正确的接收，在HIFI领域这个问题将会被衍生到对音质的影响，不幸的是，这个影响的确存在而且很麻烦。因为时钟的抖动造成的失真可以算是一种相位上的失真，大脑对相位的认识关系到对空间的认知，对方向的判断。在相位上出现抖动，出现失真，就好比一人在唱歌，但老是在变化位置而且频率很快的变换位置。出现了这种情况，我想大脑会需要不停地捕捉这个声音，想去定位这个声音，却老是跟不上，这应该不会是一件很好受的事情。这种情况在现实生活中是很难发生的，但在通讯系统中就时常会发生这种情况，自然界中发生相位失真一般发生在运动的物体中，物理学中叫做“多普勒效应”，我们经常用这个原理来测量物体运动的状态。在天文学上可以通过观察天体光谱发生“红移”和“紫移”的情况来判断这些天体是否远离还是接近我们（扯远了）。
在Fx1000的设计中，通讯中的时钟抖动要求只需满足数据能够被正确接收，即可，这样对通讯部分的时钟要求就低多了，再做时钟眼图分析的时候，这也是一件很轻松的事，整个眼图都打得很开，测量的结果也是完全符合要求。当然这只是满足了数据正被确接收的要求，而对于HIFI来说还是远远不够的，因为从通讯系统中得到的时钟抖动还是比较大，虽然已经使用了一级PLL锁相环。因此对于这个时钟我们设计了专门的模块（包括软件和硬件）来进行抖动吸收，这在以后的篇幅中会被讲到。可能有人会问USB数据接收和SPDIF数据接收是完全不同的，怎么可以混在一起来说呢？其实，表面上的差异那只是协议上的差异而已，原理却差不多。SPDIF的时钟是从Biphase Mark Code中提出时钟来同步数据并进行接收的，而USB是通过帧时钟进行同步来完成接收的，它们的差异在于SPDIF接收数据长度是固定的，时钟频率根据采样率的不同而不同；而USB则是时钟频率是固定的，数据长度根据采样率和分辨率的不同而不同，但对于时钟抖动的处理却是一致的。

存储部分，这部分主要是个文件系统的问题，有两个方面的要求，第一：必须是windows所支持的文件系统，第二：支持FLASH ROM电气特性，这个特性和硬盘是不一样的。

计算部分，这部分是总个系统的核心，包括的内容也很多而且还在不断的追加当中。我总觉得这部分是很难用文字表述清楚的，一般的做法是给出完整的算法图和方程式，或者给出MATLAB的程序。问题是这些因为涉及到公司的核心利益都无法对外公开。所有我只能在文字上进行简单的描写，这样做的目的是希望更多人理解“枫影FX1000”。
首先要说明的是“枫影FX1000”的计算部分是由FPGA来完成，我们在FPGA中总共实现了8个DSP模块，分别用来完成时钟、信号、保护等各种计算，特别是要提出来的是DSD信号的处理，这个部分的计算与经常使用的二进制编码规则完全不同，幸亏是用FPGA来完成如果换成普通的CPU或者DSP这将会是一件很痛苦的事情。
时钟部分，主要是进行一些迭代计算以配合DDS模块完成对时钟抖动的吸收。这个效果很明显，虽然不能完全消除（这是不可能做到的事情）。没做处理的时候抖动频率大概在几KHz左右，而通过抖动吸收以后下降到1mHz以下，原来一秒钟抖动几千下，处理以后几个小时才会发生一次抖动。（未完待续…）

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````信号处理，这部分的工作可以说是相当艰巨的，这几乎超过了我们最初的估计，以至于这部分的工作还没有真正的结束。
从最简单的说起吧，首先是内插器，和抽取器的实现，对也内插器，有好几个用途，第一：是做为超取样滤波器中的一个部件，但因为WM8741中已经有了一个8倍的超取样滤波器，并且WM8741的最高采样频率以只能做到8倍超取样，192k/24BIT也是枫影FX1000的最高播放模式，所以在FPGA中暂时没有去实现超取样滤波器，但这并不意味着一直不会去实现，如果有足够的证据表明能实现一个更高性能的8倍超取样滤波器，那我们会毫不犹豫的启用这一功能，而且WM8741中的超取样滤波器是可以被旁路的，这也给以后的FX1000提供了一个升级的途径。还有一种情况，那就是下一个版本的解码系统可能要实现384K/32BIT播放格式，这就必然要实现16倍超取样滤波器，如果采用频率交错的话，那这个功能的实现就会成为必然。第二：做为数据纠错时使用，当时钟发生严重错误的时候，这时就必须对数据重新组织，和抽取器一起对数据重新进行采样，以得到一组合适的数据代替那些错误的数据，以便使整个播放能够顺利进行下去，如果错误严重到不能被修补时，那系统只能进入保护状态了。
抽取器，它是和内插器对应的，主要的作用就是把高采样率的数据，抽取成低采样率的数据，比如现在DXD文件，是384K采样率的文件，显然是不能被WM8741使用的，除非做交错处理，但如果抽取掉一半的数据，那就可以被WM8741接受了，虽然这是有损的，但这起码是播放高于192K数据的一个方法。
FIR滤波器（有限冲激响应滤波器），FIR在音频领域应用面要大于IIR（无限冲激响应滤波器）因为IIR的相位非线性要大于FIR，但IIR的实现起来更容易效率更高。幸好我们选择的FPGA能满足FIR的需求。FIR可以接在内插器的后面构成内插滤波器再配合后端的模拟滤波器够成总个DAC的滤波器系统，以过滤掉量化噪音和镜像噪音。当然它还有很多的用途，在这我就不再加以说明了，因为写多了估计没人愿意看了。
这里我要说一下DSD数据的处理，到目前为止我都不认为这是一个成功的数据模型，虽然DSD数据流更接近模拟信号，甚至于通过一个低通滤波器就可以将DSD数据转换成模拟信号，也能很好的解决常规DAC中的量化误差问题，高的取样频率也能使信号更加细腻，虽然这些都是HIFI系统所需要的。但是它的缺点也是很明显的，首先它难以加工和处理，连一个简单的音量衰减都是很困难的，当然这是相对于PCM数据，后者只要做一个除法器就够了，而DSD数据呢，则需要对那些1BIT的数据，进行重新排布，统计。DSD数据滤波器就可想而知了，就算是SACD的创始者SONY也只取得了少得可怜的成绩（另一个Philps早已退出），再者DSD信号似乎并没有给我们带来多大惊喜，就算是追求很高的HIFI领域，SACD的普及率也是比较低的，远远低于SACD 创始者的期望，相对于CD的成功，SACD只能算是失败了，好像SONY都没有太多得激情去推动SACD的发展了。还有就是DSD虽然有这很高的采样率，但他的量化噪音太靠近音频信号了，基本上后级的低通滤波器的转折频率要做到30kHz左右，这样低的转折频率对于音频信号危害是显而易见的，而PCM信号转折频率可以做到100kHz以上，所有说DSD信号可以重放100kHz的音频信号只是个美丽的传说。（未完待续…）

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