基于FPGA嵌入式系統的多路音頻軟編碼機制技術方案

本發明專利技術涉及廣播電視與多媒體技術領域，特別是涉及一種基于FPGA嵌入式系統的多路音頻軟編碼機制。該方案通過FPGA嵌入式系統提取每個輸入通道的原始音頻數據的有效PCM數據，采用DDR對所述PCM數據完成編碼前PCM幀和編碼后ES幀的交互，將與視頻同步的PTS值寫入與之對應的PES幀頭部并輸出。本發明專利技術的發明專利技術目的在于提供一種基于FPGA嵌入式系統的多路音頻軟編碼機制，采用本發明專利技術提供的技術方案能夠并行地接收與處理多路的原始數字音頻數據，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。

Multi channel audio soft coding mechanism based on FPGA embedded system

The invention relates to the field of broadcast and television and multimedia technology, in particular to a multi-channel audio soft coding mechanism based on FPGA embedded system. The extraction of effective PCM data the original audio data for each input channel through the FPGA embedded system, using DDR to complete the PCM data before encoding PCM frame and ES frame encoding after interaction, will be synchronized with video PTS value into the corresponding PES frame head and output. The object of the invention is to provide a multi-channel audio FPGA embedded system software encoding mechanism based on the technical proposal of the invention can parallel multi-channel receiving and processing of the original digital audio data and video synchronization PTS values for each channel PCM audio frame, and the corresponding relationship to maintain after encoding PES frame and PTS, to ensure the synchronization of audio and video.

【技術實現步驟摘要】
基于FPGA嵌入式系統的多路音頻軟編碼機制
本專利技術涉及廣播電視與多媒體
，特別是涉及一種基于FPGA嵌入式系統的多路音頻軟編碼機制。
技術介紹
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，又在向多聲道發展，最廣泛采用的多聲道環繞聲配置是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。隨著工業技術的不斷提升，多媒體系統支持的視頻節目數也在不斷增加，與視頻對應的音頻的數目也會成比例增長。增加音頻編碼芯片的數量無疑會增加編碼系統的采購成本，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。
技術實現思路
本專利技術的專利技術目的在于提供一種基于FPGA嵌入式系統的多路音頻軟編碼機制，采用本專利技術提供的技術方案能夠并行地接收與處理多路的原始數字音頻數據，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。為了達到上述專利技術目的，本專利技術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據由串行格式轉為并行格式，并提取所述原始音頻數據的有效PCM數據，利用乘法器對所述PCM數據進行音量放大操作，根據音頻編碼算法調整所述PCM數據的PCM數據位寬，將所述PCM數據編碼成ES幀，采用DDR對所述PCM數據完成編碼前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。本專利技術另一方面還提供一種多路音頻軟編碼裝置，包括PCM數據提取模塊、PCM音頻放大模塊、PCM數據緩沖器和DDR寫控制模塊；所述PCM數據提取模塊將原始數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字音頻的有效PCM數據作為音頻編碼的原始輸入數據；所述PCM音頻放大模塊，內含有符號乘法器，用于放大所述PCM數據，并根據音頻編碼算法要求控制所述PCM數據的位寬；所述PCM數據緩沖器，內含有PCM數據緩存區，用于緩存所述PCM數據，緩存大小為系統總線寫burst長度，當緩存滿burst長度的PCM數據后，由所述DDR寫控制模塊控制將PCM數據緩存區的PCM數據發送到系統總線；所述DDR寫控制模塊，用于將傳入系統總線的PCM數據通過DDR控制器寫入FPGA片外的DDR內；DDR內分配有PCM幀交互區，用于將PCM數據以PCM幀的形式存放。本專利技術還提供一種利用FPGA嵌入式系統進行編碼和輸出編碼數據的方法，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，并通知FPGA內部的發送模塊讀取所述ES幀；發送模塊通過系統總線讀出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。本專利技術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；本地計數器PTS_counter在本地時鐘下進行計數，計數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差值連續超過差值門限值預設次數之后，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。本專利技術還提供一種產生與PES幀對應的PTS值的方法，在編碼系統時鐘下，第i(1～n)通道的PCM幀的第一個有效數據出現的時刻，鎖存計數器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，應用本專利技術實施例的技術方案，有如下有益效果：(1)FPGA器件具有豐富的邏輯資源，可實現多路音頻編碼，其路數遠大于普通音頻編碼芯片的音頻編碼路數，節省了音頻編碼芯片的采購成本。進一步地，FPGA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嵌入式芯片的現場可編程特點，可以靈活的設置音頻編碼通道數，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專利技術實施例或現有技術中的技術方案，下面將對本專利技術實施例或現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專利技術的一部分實施例，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為依照本專利技術的基于FPGA嵌入式系統進行多路音頻軟編碼的實現方法的系統框圖；圖2為依照本專利技術的原始音頻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為依照本專利技術的PTS產生模塊結構圖。圖4為依照本專利技術的第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為依照本專利技術的在編碼過程中音頻幀與PTS值對應關系示意圖；圖6為依照本專利技術的PTS產生模塊采用的一種本地PTS計數逼近的實施例流程圖。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術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專利技術，并不用于限定本專利技術。在對多路音頻解碼過程中，增加音頻編碼芯片的數量無疑會增加編碼系統的采購成本，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芯片作為實現平臺，能靈活的設置音頻編碼路數與編碼算法，同時保證音視頻同步。具體實現方法如下：先采用圖1中所示的原始音頻接收模塊101對原始音頻數據進行初處理，其實現步驟如下：1、將原始音頻數據由串行格式轉為并行格式，并提取有效PCM數據。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數據位寬。由于PCM數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總線burst長度。由上述原始音頻接收模塊101處理得到的PCM數據，傳遞給嵌入式處理器系統進行音頻編碼，PCM數據交互則在FPGA片外DDR進行。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多路音頻軟編碼方法，其特征在于：包括以下步驟：將每個輸入通道的原始音頻數據由串行格式轉為并行格式，并提取所述原始音頻數據的有效PCM數據，利用乘法器對所述PCM數據進行音量放大操作，根據音頻編碼算法調整所述PCM數據的PCM數據位寬，將所述PCM數據編碼成ES幀，采用DDR對所述PCM數據完成編碼前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。

【技術特征摘要】
1.一種多路音頻軟編碼方法，其特征在于：包括以下步驟：將每個輸入通道的原始音頻數據由串行格式轉為并行格式，并提取所述原始音頻數據的有效PCM數據，利用乘法器對所述PCM數據進行音量放大操作，根據音頻編碼算法調整所述PCM數據的PCM數據位寬，將所述PCM數據編碼成ES幀，采用DDR對所述PCM數據完成編碼前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。2.根據權利要求1所述的多路音頻軟編碼方法，采用DDR對所述PCM數據完成編碼前PCM幀和編碼后ES幀的交互，其特征在于：包括：將各通道輸入的所述PCM數據，通過系統總線和DDR控制器緩存在DDR內的PCM幀緩存區內；嵌入式處理器通過系統總線讀取所述PCM幀緩存區的PCM幀進行編碼；嵌入式處理器將所述PCM幀編碼生成的ES幀通過系統總線和DDR控制器緩存在DDR內的ES幀緩存區內，FPGA發送模塊讀取所述ES幀緩存區的數據輸出。3.一種多路音頻軟編碼裝置，其特征在于：包括PCM數據提取模塊、PCM音頻放大模塊、PCM數據緩沖器和DDR寫控制模塊；所述PCM數據提取模塊將原始數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字音頻的有效PCM數據作為音頻編碼的原始輸入數據；所述PCM音頻放大模塊，內含有符號乘法器，用于放大所述PCM數據，并根據音頻編碼算法要求控制所述PCM數據的位寬；所述PCM數據緩沖器，內含有PCM數據緩存區，用于緩存所述PCM數據，緩存大小為系統總線寫burst長度，當緩存滿burst長度的PCM數據后，由所述DDR寫控制模塊控制將PCM數據緩存區的PCM數據發送到系統總線；所述DDR寫控制模塊，用于將傳入系統總線的PCM數據通過DDR控制器寫入FPGA片外的DDR內；DDR內分配有PCM幀交互區，用于將PCM數據以PCM幀的形式存放。4.一種利用FPGA嵌入式系統進行編碼和輸出編碼數據的方法，其特征在于：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，并通知FPGA內部的發送模塊讀取所述ES幀；發送模塊通過系統總線讀出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。5.一種與視頻顯示實時同步的PTS值的產生方法，其特征在于：采用本地PTS計數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；本地計數器PTS_counter在本地時鐘下進行計數，計數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差值連續超過差值門限值預設次數之后，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。6.根據權利要求5所述的PTS值的產生方法，其特征在于：包括：接收視頻編碼器的PCR包，提取出所述PCR包的PCR值，PCR值包含PCR_base與PCR_ext兩部分；本地PTS計數器對27Mhz時鐘進行計數，本地PTS計數器分為PTS_base與PTS_ext兩個計數器；PTS_ext計數器計數范圍0到299，當PTS_ext計數300個27Mhz時鐘周期后，PTS_ext計數歸零并且...

【專利技術屬性】
技術研發人員：李科，鄒偉華，
申請(專利權)人：偉樂視訊科技股份有限公司，
類型：發明
國別省市：廣東,44