ブロック図
AD、DA変換ICとして、PCM3060を選びました。
オーディオ・ストリームを扱うため、高速でメモリーに記録、読み出しをする必要があり、FPGAを使ってSDRAMを制御する事になりました。
PICマイコンは、PCM3060の設定、そして、FPGAの入出力バッファーの役目です。
基板、回路図等
構成と設定の内容
- PCM3060の設定
LR２チャンネル、24ビット、96KHzの能力のあるPCM3060なのですが、ここでは、片方のLチャンネルのみ、16ビット、48KHzで使う事になりました。DVDの音質レベルです。
FPGAに搭載するCPUの能力で、サンプリング速度が制限されました。24ビットは可能なのですが、過剰な性能なので、試していません。
ICの録音・再生の信号レベルが同一ではない事が分かり、内臓のレベル調整機能を設定する事になりました。
データ・シートの内容は、丁寧です。 - FPGAの選択
SDRAMの制御線は数10本を要し、結線するとすれば、大そうな手間が掛かります。
そして、リフレッシュ動作が要るので、コントローラを作るのが大変です。
従って、FPGAとSDRAMが結線されており、SDRAMコントローラが既成されているものとして、アルテラのFPGAを乗せた、DE0-Nanoを選びました。
他にも、FPGA+SDRAMの基板は、多種に市販されていますが、30K以上と高価です。 - FPGAのプログラミング
「FPGAボードで学ぶ組込みシステム開発入門」という解説書は、大変良く出来ています。初心者が？と思う障害を、実にタイミング良く、センス良く、説明してくれます。私の場合、初めて取組むFPGAで、ゼロからのスタートでしたので、今回の装置完成まで、2ヶ月近く掛かりました。
結局、FPGA内臓CPU；Nios2を使ってのSDRAM制御となり、SOPC Builderでシステム設計し、制御ソフトは、C言語で書く事になりました。
自作したのは、PCM3060インターフェイスの回路設計；pcm.v (Verilog記述)と、nios2pcm_c.cという内臓CPU用ソフトだけでした。 - FPGA内臓CPU Nios2 の特性
スピードの遅い、Nios2/e（無償）を使って、出来ました。
Nios2アプリケーションの選択では、テンプレート Hello World Small を使ってOKとなりました。テンプレート Hello World は、スピードが遅く、処理が間に合いませんでした。
SDRAMのクロックは、50MHzでは不足し、100MHzにしてOKとなりました。
Nios2を使わない方法、つまり、SDRAMコントローラやステートマシンを、全て回路設計で行えば、高速で、好みのままに出来るのですが、手間が掛かるので、試していません。 - SDRAMの容量
DE0-Nanoに搭載されているのは、32MB SDRAM です。16ビットモードに設定しました。
48KHzサンプリングでは、6分間の記録が出来る容量です。実際に「ハローテスト～」と声を出して試験するには、約30秒が適当です。DE0-Nanoに搭載のディップSWを使って、記録時間を変更できるようにしました。（10sec,30sec,1min,,,6min）この時間が経つと、停止して自動的にスタンバイ状態になるようにしています。
解決できていない事があります。on-chip memory を26KB用意しているのですが、プログラムが、SDRAMの方に書き込まれているようです。仕方なく、SDRAMの若い番地を避けて使うようにしました。 - SDRAMのイニシャライズ
SDRAMのデータは、電源ON時には、ランダムな数値となっている様です。そのまま再生すると、猛烈な雑音になります。従って、対象アドレスには、ゼロ、0x8000、0xffff などの数値を書き込んでおきます。この時間が、12～13秒掛かります。 - SDRAMのバックアップ
SDRAMは、電源がOFFになると、内容が失われます。電源ON/OFFの際にSDカードへ読書きする方法があるのですが、今回、装備していません。 - サンプリング周波数
正確に48KHzではなく、48.828KHzとなりました。従って、既存のオーディオ・システムとは互換性がありません。
100MHzのクロックから分周している関係で、SCK；512fs；25MHz、BCK；64fs；3.125MHz、LRCK；fs；48.828KHz となっています。（既存のシステムでは、24.576MHz、3.072MHz、48KHz となっています。） - 信号レベル
ADC基準の入力電圧を少しでも超えると、フルスケールの雑音信号となります。また、16ビット；0xffff 未満の入力電圧では、応じて、S/N比が低下します。
レベル・メーターの校正が重要となってきます。調整方法は、2信号を入力・録音、そして、再生・出力しながらスペアナで観察し、レベル・メータの感度を加減します。（レベル・メータの感度は、DDS基板のマイコンソフトで変更） - 正面パネルからの制御要素
タクトSW（送信と受信の２個）とLED表示で行うこととしました。三つの状態変化をさせるようにしました。
①再生・送信状態、②受信状態（スタンバイ状態）、③受信・録音状態、です。
前記の記録時間が過ぎると、①あるいは③の状態から②の状態に移ります。また、記録時間途中にタクトSWを押せば、①③から②に移ります。 - 性能
文句なし、良好です。
２信号特性を観ましたが、IM3が-80db以下です。（RF回路も含めた、全体の特性を次回に。）
失敗例
- SDカードへの記録
SDカードへのSPIモード書込みを、高速で行おうと挑戦したのですが、サンプリング速度50KHz/16ビット程度まで出来ました。50KHzサンプリングの場合、1/10の5KHzではIMDが30db、1/5の10KHzではIMDが10db程度でした。
SDカードへの書込みは、16ビットデータ256個（8ビット512個）毎なので、16ビット/50KHzサンプリングでは、5mS毎の書込みになります。通常、SDカードへの書込みは、2～3mSec掛かるので、この辺りが限度のようです。
音質を保つには、数MHzのオーバ・サンプリングが必要と判りました。
MP3プレーヤーやICレコーダーは、音データを圧縮した上、ライセンスの要る高速モードでSDカードに読み書きしていると判りました。
- ラズベリー・パイ
Raspberry Pi は、最高700MHzで動作するARMマイコン、512MバイトのSDRAMが乗っており、最適のメモリー基板だと思い、写真のテスト・ベンチを作りました。
OSとしてlinux"Raspbian"を入れ、USBサウンド・カードを使って、録音・再生のソフトaplayとarecordを試しました。aplayは音質良く再生してくれますが、arecordは、だめでした。音がプツプツと途切れます。
OSとして より簡単高速の Arch Linux を入れてみましたが、やはり、arecord で音がプツプツと途切れます。
linux"Raspbian"からGPIO制御で、オーディオ・ストリームを作る試みですが、アクセス速度が100nsec(10MHz)程度で、PICマイコンより遅い位です。
OSを入れないで、ARMマイコン・ソフトで、SDRAMとオーディオ・ストリームを制御できないかと模索しましたが、CPUチップBCM2835の中身が公開されておらず、無理だと判りました。
写真の装置では、今は、BGの音楽「SHOUTcast Radio」が心地よく鳴っています。