Principe de fonctionnement

Rappelons ci-dessous le schéma de principe du vocodeur que nous devons développer :

Maintenant que nous avons les principaux blocs de traitement du signal disponibles sous la forme d’entités (BiquadFilter, Oscillator, Mixer), le vocodeur lui-même sera développé en instanciant et en interconnectant ces blocs.

L’entité `Vocoder`

L’entité Vocoder ne possède pas de paramètre générique. Elle traite un flux de données en utilisant le protocole ready/valid, où elle joue à la fois les rôles de consommateur et de producteur :

Port	Direction	Type	Rôle
`clk_i`	Entrée	Logique	Le signal d’horloge global du système
`reset_i`	Entrée	Logique	La commande de réinitialisation du système
`valid_i`	Entrée	Logique	Indique qu’un nouvel échantillon est disponible en entrée
`ready_o`	Sortie	Logique	Indique que ce vocodeur est prêt à recevoir un nouvel échantillon d’entrée
`data_i`	Entrée	Virgule fixe (`vocoder_data_t`)	La valeur d’un échantillon audio à traiter
`valid_o`	Sortie	Logique	Indique qu’un nouvel échantillon est disponible en sortie
`ready_i`	Entrée	Logique	Indique que le consommateur relié à ce vocodeur est prêt à recevoir un nouvel échantillon
`data_o`	Sortie	Virgule fixe (`vocoder_data_t`)	La valeur d’un échantillon audio traité

Réalisation du vocodeur

Voici une représentation de l’architecture associée à l’entité Vocoder.

Afficher la légende des schémas.

Pour chaque voie, elle instancie un filtre passe-bande, un filtre passe-bas et un oscillateur. En VHDL, on utilisera l’instruction for...generate pour construire le circuit de toutes les voies de façon itérative.

À droite, une instance de l’entité Mixer collecte les données en provenance des filtres passe-bas et des oscillateurs.

Les interfaces producteur/consommateur sont gérées de la manière suivante :

Les données d’entrée sont envoyées à tous les filtres passe-bandes. La sortie ready_o est mise à '1' lorsque tous les filtres sont prêts.
Entre les filtres passe-bandes et passe-bas, on considère que le calcul de valeur absolue n’a pas besoin d’interfaces producteur et consommateur spécifiques. On insère l’opération abs sur la ligne de données et on relie telles quelles les lignes ready et valid.
En entrée de l’instance de Mixer, les données sont considérées comme valides lorsque tous les filtres ont leur sortie valide.
L’interface producteur de l’entité Vocoder est gérée directement par l’instance de Mixer.

Complétez le fichier Vocoder.vhd de manière à respecter ce schéma.

Application de démonstration

L’entité VocoderDemo illustre le fonctionnement du vocodeur sur un extrait audio stocké en RAM. L’architecture s’inspire de l’application I2SDemo, dans laquelle nous avons supprimé la mémoire RightRom et nous avons inséré une instance de Vocoder entre la sortie de LeftRom et l’entrée correspondant à la voie droite du transmetteur I2S.

Afficher la légende des schémas.

Ainsi, au cours du fonctionnement de ce circuit, vous devriez entendre l’extrait audio « week-end » original dans l’oreille gauche, et le même extrait traité par le vocodeur dans l’oreille droite.

Synthétiser et implémenter le circuit

Dans le panneau Tcl Console, indiquez que l’entité VocoderDemo est l’entité principale du circuit :

set_property top VocoderDemo [get_filesets sources_1]

Générez le fichier binaire à charger dans le FPGA : Flow Navigator → Program and Debug → Generate Bitstream.

Vivado generate bitstream

Vivado va enchaîner toutes les étapes d’analyse des fichiers sources, de synthèse logique, de placement et routage, pour terminer par la génération d’un fichier binaire à charger dans le FPGA.

À la fin des opérations, la boîte de dialogue Bitstream Generation Completed s’affiche. Choisissez Open Hardware Manager.

Configurer le FPGA

Vérifiez que l’interrupteur d’alimentation de votre carte Basys3 est en position OFF. Le cavalier situé à côté de l’interrupteur doit être en position USB.

Branchez le module PmodI2S sur le connecteur JA (en haut sur le côté gauche de la carte) et branchez un casque stéréo ou des enceintes sur le connecteur jack.

Vous ne connaissez pas à l’avance le volume de la sortie audio. Ne mettez pas vos écouteurs sur les oreilles avant d’être sûr que le son n’est pas trop fort.

Reliez le connecteur micro-USB de la carte à un port USB de votre PC. Mettez la carte sous tension.

En haut du panneau Hardware Manager, pressez Open target et choisissez Auto Connect.

Vivado open target

Pressez ensuite Program Device.

Vivado program device

Implémentation de référence

Pour vous éviter de rester bloqués à cette étape, nous fournissons deux fichiers de référence :

src/Vocoder/Vocoder-ref.vhd est un fichier source VHDL du transmetteur I2S, dont le contenu a été volontairement rendu illisible, et dont les valeurs de paramètres génériques ont été figées. Nous vous conseillons de ne pas perdre de temps à essayer de le rendre lisible.
ref/VocoderDemo-ref.bit est le fichier binaire de l’application de démonstration à charger directement dans le FPGA à partir du Hardware Manager de Vivado. Effectuez l’action Program Device et choisissez le fichier VocoderDemo-ref.bit.

Dans votre projet, activez l’utilisation du fichier Vocoder-ref.vhd à l’aide de ces commandes dans le panneau Tcl Console :

set_property is_enabled false [get_files Vocoder.vhd]
set_property is_enabled true  [get_files Vocoder-ref.vhd]