本發(fā)明涉及廣播電視與多媒體技術領域，特別是涉及一種基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的多路音頻軟編碼機制。

背景技術：

在廣電與多媒體領域，人們對音頻質量的要求正在不斷地提高，從單聲道到立體聲，又在向多聲道發(fā)展，最廣泛采用的多聲道環(huán)繞聲配置是ITU-R建議的5.1聲道配置。而且同一視頻可以存在多個配音，比如多種語言。隨著工業(yè)技術的不斷提升，多媒體系統(tǒng)支持的視頻節(jié)目數(shù)也在不斷增加，與視頻對應的音頻的數(shù)目也會成比例增長。增加音頻編碼芯片的數(shù)量無疑會增加編碼系統(tǒng)的采購成本，各種音頻編碼芯片對編碼格式以及控制方式都有特殊的要求，這加大了設計的復雜程度延長了設計周期。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于提供一種基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的多路音頻軟編碼機制，采用本發(fā)明提供的技術方案能夠并行地接收與處理多路的原始數(shù)字音頻數(shù)據，對各通道PCM音頻幀產生與視頻同步的PTS值，并將此對應關系保持到編碼后的PES幀和PTS值，保證音視頻同步。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明一方面提供一種多路音頻軟編碼方法，包括以下步驟：

將每個輸入通道的原始音頻數(shù)據由串行格式轉為并行格式，并提取所述原始音頻數(shù)據的有效PCM數(shù)據，利用乘法器對所述PCM數(shù)據進行音量放大操作，根據音頻編碼算法調整所述PCM數(shù)據的PCM數(shù)據位寬，將所述PCM數(shù)據編碼成ES幀，采用DDR對所述PCM數(shù)據完成編碼前PCM幀和編碼后ES幀的交互，多個ES幀組成一個PES幀，將與視頻同步的PTS值寫入與之對應的PES幀頭部，將PES幀分解為多個個TS包并勻速輸出。

本發(fā)明另一方面還提供一種多路音頻軟編碼裝置，包括PCM數(shù)據提取模塊、PCM音頻放大模塊、PCM數(shù)據緩沖器和DDR寫控制模塊；所述PCM數(shù)據提取模塊將原始數(shù)字音頻輸入格式由串行轉換為并行格式，并提取出所述原始數(shù)字音頻的有效PCM數(shù)據作為音頻編碼的原始輸入數(shù)據；所述PCM音頻放大模塊，內含有符號乘法器，用于放大所述PCM數(shù)據，并根據音頻編碼算法要求控制所述PCM數(shù)據的位寬；所述PCM數(shù)據緩沖器，內含有PCM數(shù)據緩存區(qū)，用于緩存所述PCM數(shù)據，緩存大小為系統(tǒng)總線寫burst長度，當緩存滿burst長度的PCM數(shù)據后，由所述DDR寫控制模塊控制將PCM數(shù)據緩存區(qū)的PCM數(shù)據發(fā)送到系統(tǒng)總線；所述DDR寫控制模塊，用于將傳入系統(tǒng)總線的PCM數(shù)據通過DDR控制器寫入FPGA片外的DDR內；DDR內分配有PCM幀交互區(qū)，用于將PCM數(shù)據以PCM幀的形式存放。

本發(fā)明還提供一種利用FPGA嵌入式系統(tǒng)進行編碼和輸出編碼數(shù)據的方法，包括以下步驟：嵌入式CPU讀取權利要求3中所述PCM幀交互區(qū)的PCM幀進行音頻編碼成ES幀；CPU將音頻編碼后的ES幀寫入DDR分配的編碼ES幀交互區(qū)，并通知FPGA內部的發(fā)送模塊讀取所述ES幀；發(fā)送模塊通過系統(tǒng)總線讀出ES幀，并將N個ES幀組成一個PES幀，將與視頻同步的PTS值寫入與之對應的PES幀頭部，將PES幀分解為M個TS包，并將TS包勻速輸出。

本發(fā)明還提供一種與視頻顯示實時同步的PTS值的產生方法，采用本地PTS計數(shù)逼近的方法產生與視頻實時同步的PTS值，包括以下步驟：

實時提取視頻PCR；本地計數(shù)器PTS_counter在本地時鐘下進行計數(shù)，計數(shù)初始值為首次提取的視頻PCR值；每當視頻PCR更新，比較PTS_counter值與視頻PCR值之間的差值；設置一個差值門限，PTS_counter與視頻PCR差值大于差值門限，則調整PTS_counter值；PTS_counter與視頻PCR差值連續(xù)超過差值門限值預設次數(shù)之后，則將PTS_counter值置為視頻PCR值。將PTS_counter值作為與視頻同步的PTS值。

本發(fā)明還提供一種產生與PES幀對應的PTS值的方法，在編碼系統(tǒng)時鐘下，第i(1～n)通道的PCM幀的第一個有效數(shù)據出現(xiàn)的時刻，鎖存計數(shù)器PTS_counter值作為與此PCM幀對應、且與視頻實時同步的PTS值；PCM幀編碼產生ES幀，ES幀對應的PTS值與此ES幀編碼輸入的PCM幀的PTS值相同；多個ES幀組成一個PES幀，將PES幀內的第一個ES幀對應的PTS值作為PES幀的PTS值并寫入PES幀頭。

由上可見，應用本發(fā)明實施例的技術方案，有如下有益效果：

(1)FPGA器件具有豐富的邏輯資源，可實現(xiàn)多路音頻編碼，其路數(shù)遠大于普通音頻編碼芯片的音頻編碼路數(shù)，節(jié)省了音頻編碼芯片的采購成本。進一步地，F(xiàn)PGA芯片可以完成編碼后音視頻流的處理，因此對于多媒體系統(tǒng)搭建具有極小的成本。FPGA器件具有比普通編碼芯片更多的外設接口，提供充分的調試手段；

(2)基于FPGA嵌入式芯片的現(xiàn)場可編程特點，可以靈活的設置音頻編碼通道數(shù)，音頻編碼算法，減少設計復雜度，縮短設計周期；

(3)基于FPGA高速處理能力，可以并行的接收多路原始音頻數(shù)據，在各路音頻幀的起始產生與視頻同步的PTS值，在編碼的過程中保持PTS與音頻幀的對應關系，具有較好的音視頻同步指標。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為依照本發(fā)明的基于FPGA嵌入式系統(tǒng)進行多路音頻軟編碼的實現(xiàn)方法的系統(tǒng)框圖；

圖2為依照本發(fā)明的原始音頻PCM幀與對應的PTS值分別在DDR和寄存器存放的存放結構示意框圖；

圖3為依照本發(fā)明的PTS產生模塊結構圖。

圖4為依照本發(fā)明的第i通道的編碼后ES幀與對應的PTS值分別在DDR和寄存器存放結構示意框圖；

圖5為依照本發(fā)明的在編碼過程中音頻幀與PTS值對應關系示意圖；

圖6為依照本發(fā)明的PTS產生模塊采用的一種本地PTS計數(shù)逼近的實施例流程圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在對多路音頻解碼過程中，增加音頻編碼芯片的數(shù)量無疑會增加編碼系統(tǒng)的采購成本，各種音頻編碼芯片對編碼格式以及控制方式都有特殊的要求，這加大了設計的復雜程度，延長了設計周期。

為了解決上述技術問題，本實施例公開了一種基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的多路音頻軟編碼機制，本實施例提供的技術方案采用嵌入式FPGA芯片作為實現(xiàn)平臺，能靈活的設置音頻編碼路數(shù)與編碼算法，同時保證音視頻同步。

具體實現(xiàn)方法如下：

先采用圖1中所示的原始音頻接收模塊101對原始音頻數(shù)據進行初處理，其實現(xiàn)步驟如下：

1、將原始音頻數(shù)據由串行格式轉為并行格式，并提取有效PCM數(shù)據。

2、有符號乘法模塊放大音頻幅度值，放大因子可設。

3、根據算法需要調整原始PCM數(shù)據位寬。由于PCM數(shù)據是以二進制補碼的形式存在，增加位寬采取在低位補零的方式，減小位寬采取截取低位的方式。

4、將處理后的PCM數(shù)據放入FPGA片內存儲器緩存，緩存采用乒乓的讀寫方式，乒乓緩存深度為系統(tǒng)總線burst長度。

由上述原始音頻接收模塊101處理得到的PCM數(shù)據，傳遞給嵌入式處理器系統(tǒng)進行音頻編碼，PCM數(shù)據交互則在FPGA片外DDR進行。

請參見圖2，在片外DDR內設有PCM幀交互區(qū)，該PCM幀交互區(qū)根據通道數(shù)目n劃分為n個區(qū)間，稱之為通道區(qū)間。每個通道區(qū)間分為大小相等的兩個子區(qū)間：乒區(qū)203和乓區(qū)204。乒區(qū)和乓區(qū)各存儲一個PCM幀。

請參見圖1，寫DDR控制模塊102用于將通道1到通道n的接收模塊101內緩存的PCM音頻數(shù)據通過系統(tǒng)總線寫入DDR內PCM幀交互區(qū).

PCM音頻數(shù)據寫入PCM幀交互區(qū)的操作過程具體如下：當通道i(1～n)的接收模塊101完成一個系統(tǒng)總線burst長度PCM數(shù)據的緩存后，寫DDR控制模塊向系統(tǒng)總線發(fā)起一次寫burst操作。先根據通道號i確定PCM幀交互區(qū)的通道區(qū)間，再確定該通道區(qū)間乒乓子區(qū)間，將總線burst數(shù)據寫入乒乓子區(qū)間。若已寫滿其中一個乒乓子區(qū)間后，轉向寫入另一個乒乓子區(qū)間。

當PCM幀交互區(qū)存在任意通道的一個完整的PCM幀之后，嵌入式系統(tǒng)將此PCM幀轉移到其他DDR區(qū)間進行音頻編碼，并釋放該PCM幀所在的通道子區(qū)間。

根據MPEG協(xié)議，PTS是音頻數(shù)據存儲單元的顯示時間。為了保證多路節(jié)目的音視頻同步，需要正確的對每一路音頻產生準確的與視頻同步的PTS信息，即保證音頻PTS與視頻PTS具有相同的系統(tǒng)時基。請參見圖2，PTS生成模塊205，用于產生PTS值，并存入相應的PTS寄存器202。

請參見圖3，PTS生成模塊由4個子模塊，PCR_analysis模塊301，PTS_counter模塊302，PTS_trans_ctrl模塊303，與PCM_counter模塊304組成。

由PCR_analysis模塊301，PTS_counter模塊302組合產生實時的與視頻同步的PTS值；PTS_trans_ctrl模塊303，與PCM_counter模塊304組合將實時的PTS值寫入各通道對應的PTS寄存器。

該PTS值與視頻顯示實時同步的屬性是采用本地PTS計數(shù)逼近的方法產生，包括以下步驟：實時提取視頻PCR；本地計數(shù)器PTS_counter在本地時鐘下進行計數(shù)，計數(shù)初始值為首次提取的視頻PCR值；每當視頻PCR更新，比較PTS_counter值與視頻PCR值之間的差值；設置一個差值門限，PTS_counter與視頻PCR差值大于差值門限，則調整PTS_counter值；PTS_counter與視頻PCR差值連續(xù)超過差值門限值預設次數(shù)之后，則將PTS_counter值置為視頻PCR值，將PTS_counter值作為與視頻同步的PTS值。

請參見圖6，具體的，包括：

步驟600：PCR_analysis模塊301實時提取視頻編碼器傳來的PCR信息，PCR值的PCR_base與PCR_ext值。

步驟601：PTS_counter模塊302用于產生實時的PTS值，該PTS值在本地27Mhz時鐘的有效沿計數(shù)。

PTS_counter模塊302模塊包含PTS_base與PTS_ext兩個計數(shù)器，其中PTS_ext對本地27Mhz時鐘計數(shù)，計數(shù)區(qū)間0到299.當PTS_ext計數(shù)滿300個27Mhz時鐘周期PTS_base值計數(shù)加1。

PTS_base與PTS_ext的計數(shù)初始值分別為為第一次從PCR_analysis模塊301獲取的PCR_base值與PCR_ext。

步驟602：當PCR_analysis模塊301獲取到新的視頻PCR_base時，計算PCR_base與PTS_base差值DIF_PTS即DIF_PTS＝PCR_base-PTS_base，將DIF_PTS與預設閥值進行比較。

計數(shù)器correct_cnt用于統(tǒng)計DIF_PTS超過預設閥值的次數(shù)。

步驟603：若DIF_PTS小于預設閥值，則PTS_counter模塊302的PTS_base與PTS_ext不進行校正，將PTS_base作為實時的與視頻同步的PTS值輸出。并且計數(shù)器correct_cnt歸零。

步驟604：若DIF_PTS大于預設閥值，判斷correct_cnt是否達到預設最大值。

步驟605：若DIF_PTS大于預設閥值，且correct_cnt未達到預設最大值則將PTS_base計數(shù)器值置為PTS_base+DIF_PTS/2，并且correct_cnt計數(shù)加1。

步驟606：若correct_cnt達到預設最大值，則認為出現(xiàn)異常，調整PTS_base值將不起作用，則將本地PTS_base與PTS_ext計數(shù)器置為PCR_base與PCR_ext，并且correct_cnt歸零。

通過上述步驟得到的PTS值則具備與視頻顯示實時同步的屬性，此外，需要產生與各個通道PCM幀對應的PTS值，具體步驟如下：

每個通道對應存在一個PCM_counter計數(shù)器304。PCM_counter計數(shù)器304對圖1所述接收模塊101接收的PCM數(shù)據個數(shù)進行計數(shù)，計數(shù)最大值為PCM幀的長度值。當PCM_counter計數(shù)值等于1，代表此時刻為PCM幀第一個PCM數(shù)據出現(xiàn)的時刻。每當某通道i對應的PCM_counter＝1,則產生請求信號輸出給PTS_trans_ctrl模塊303，PTS_trans_ctrl模塊303接收到通道i的請求信號立即鎖存此時的通道i對應的PTS_counter的PTS值，并寫入到對應通道的PTS寄存器202。PTS_trans_ctrl模塊303具有并行處理能力，即當多個通道的PCM_counter同時發(fā)出請求時，將鎖存此時PTS_counter的PTS值，并行寫入各對應通道的PTS寄存器202。

請參見圖2，由于PCM幀交互區(qū)每個通道區(qū)間分為乒乓兩個子區(qū)間，兩個子區(qū)間各存放一個PCM幀。所以對應的PTS寄存器，也是每個通道分配兩個寄存器與PCM幀對應。

圖6所示是在編碼過程中音頻幀與PTS值對應關系示意圖。具體地，保持音頻幀(PCM幀，ES幀，PES幀)與PTS的關系，直到PTS值與PES幀對應。以下是產生PES幀以及其對應的PTS的步驟：

請參見圖5，首先產生ES幀以及其對應的PTS，包括：

通道i的音頻幀PCM_frame_1幀503經過嵌入式處理器進行音頻編碼之后，生成ES_frame_1幀504；PTS_1值505對應于PCM_frame_1幀503則同樣的PTS_1值505對應于編碼之后的ES_frame_1幀504。具體實現(xiàn)如下：

如圖2所示DDR內PCM幀交互區(qū)201的PCM幀與PTS寄存器202的PTS值具有一一對應關系，即PTS值為PCM幀第一個PCM數(shù)據在編碼系統(tǒng)時鐘下的時間戳。嵌入式系統(tǒng)取出PCM幀交互區(qū)201中通道i的PCM幀進行編碼后，放入如圖4所示的ES幀交互區(qū)401。同時將與通道i的PCM幀對的PTS值放入如圖4中與該PCM幀編碼后ES幀對應的PTS寄存器402中。ES幀交互區(qū)和對應的PTS寄存器采用先進先出的讀寫方式。

通過上述實現(xiàn)方法，編碼后PTS值與ES幀的對應關系與編碼前PTS值與PCM幀的對應關系保持一致。

產生ES幀以及其對應的PTS后，其次產生PES幀以及其對應的PTS，其過程包括：

FPGA內部PES封裝模塊完成音頻數(shù)據ES到PES的格式轉換，并將PTS值插入PES幀頭內。協(xié)議規(guī)定PES包可封裝任意數(shù)量的ES包。請參見圖5，第i通道PES幀所示，設一個PES幀封裝N個ES幀，則將PES幀封裝的第一個ES幀ES_frame_1幀503對應的PTS值PTS_1值505作為第i通道PES幀的PTS值，該PTS值為PES幀的第一個ES幀的顯示時間，也是PES的顯示時間，將該PTS值插入PES包頭中。請參見圖6，在PES幀內第2到第N個ES幀對應的PTS值從寄存器丟棄506。

如圖6，F(xiàn)PGA內部TS封裝模塊按照協(xié)議要求將PES幀分解后插入TS幀的負載區(qū)域中。在輸出端將TS勻速輸出，因為數(shù)字音頻采樣率固定，所以原始音頻輸入是勻速輸入，即PCM幀率恒定，設PCM幀率為rate_pcm,則按一個PCM幀編碼輸出一個ES幀，N個ES幀對應一個PES幀，一個PES幀封裝成M個TS包計算出TS包率為rate_ts＝rate_pcm*M/N。

本實施例提供的基于FPGA嵌入式系統(tǒng)的多路音頻軟編碼機制采用嵌入式FPGA芯片作為實現(xiàn)平臺，能靈活的設置音頻編碼路數(shù)與編碼算法，同時保證音視頻同步。FPGA器件具有豐富的邏輯資源，可實現(xiàn)多路音頻編碼，其路數(shù)遠大于普通音頻編碼芯片的音頻編碼路數(shù)，節(jié)省了音頻編碼芯片的采購成本；進一步地，F(xiàn)PGA芯片可以完成編碼后音視頻流的處理，因此對于多媒體系統(tǒng)搭建具有極小的成本。FPGA器件具有比普通編碼芯片更多的外設接口，提供充分的調試手段；基于FPGA高速處理能力，可以并行的接收多路原始音頻數(shù)據，在各路音頻幀的起始產生與視頻同步的PTS值，在編碼的過程中保持PTS與音頻幀的對應關系，具有較好的音視頻同步指標。

以上所述的實施方式，并不構成對該技術方案保護范圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在該技術方案的保護范圍之內。