音頻交換混合矩陣設計與實現

音頻交換混合矩陣是各種會議、演播、指揮系統(tǒng)的核心設備，連接不同的音頻輸入、輸出設備，實現音頻的交換及混合功能，并實現音頻信號的控制與調度。
　　傳統(tǒng)的音頻矩陣通?；谀M開關電路設計，設計復雜，實現難度較大，不適合構建中大規(guī)模交換矩陣。而且，大多數矩陣不具備音量調節(jié)及信號混合功能，需要配合調音臺、信號混合器設備使用。

　　本文提出一種基于FPGA ( Field ProgrammableGate Array)的音頻交換混合矩陣的設計方案。該方案以交換技術原理為基礎，采用數字音頻信號采樣及處理技術，構建交換混合矩陣，實現了16 ×16路音頻信號的交換、混合;設計及實現難度小，且可根據系統(tǒng)需求裁減或增加系統(tǒng)交換容量、設置音頻信號采樣精度及采樣速率;每路輸入、輸出信號的音量可以獨立進行控制;還具有輸入輸出延時低、信道間隔離度高、音質好的特點。

　　1　音頻交換混合矩陣的數學模型

　　1. 1　交換系統(tǒng)原理

　　交換技術源于電話通信，其基本任務就是在大規(guī)模網絡中實現各用戶之間信息的端到端的有效傳遞。交換技術的原理就是通過設置好的路徑，將源端的數據可控地發(fā)往目的端。

　　對于音頻系統(tǒng)，交換即指將音頻信號從輸入端經過一系列節(jié)點轉發(fā)到輸出端。

　　1. 2　交換混合矩陣數學模型

　　基于2. 1所述交換技術原理，可構建交換系統(tǒng)的一般數學模型。將多輸入輸出的交換系統(tǒng)抽象為一個矩陣P，其輸入和輸出信號抽象為兩個向量( x，y) ，交換系統(tǒng)實現的功能就是將輸入向量通過矩陣的運算轉換為輸出向量:

　　其中pij ∈[0， 1 ]，代表輸入與輸出的對應關系。n和m 分別代表輸入和輸出信號個數。當n = 1時，該系統(tǒng)為單輸入系統(tǒng);當n > 1時，該系統(tǒng)為多輸入系統(tǒng)。

　　當m = 1時，該系統(tǒng)為單輸出系統(tǒng);當m > 1時，該系統(tǒng)為多輸出系統(tǒng)。

　　對于一個音頻交換混合系統(tǒng)， pij即代表了某路輸入與某路輸出的對應關系，以及音量信息。最終，單獨的某路輸出信號yj 可以表示為:

　　本方案的核心技術，是將多路模擬音頻輸入信號轉換為數字輸入向量，并構建數字交換混合矩陣，通過對矩陣的運算得到數字輸出向量， 并將輸出向量轉換為模擬音頻輸出信號，分配至各輸出端口，最終實現音頻交換混合矩陣。

　　在此，設向量A、B 分別為輸入和輸出音量控制向量，矩陣Q 為控制矩陣，則交換矩陣P變換為:

　　綜上，構建起系統(tǒng)的最終數學模型為:

　其中qji = 0， 1。

　　由式(4)可知，第j路輸出的最終結果yj 為:

　　2　系統(tǒng)方案設計概述

　　2. 1　系統(tǒng)信號流程

　　根據式( 4)及式( 5) ， 可構建出系統(tǒng)信號流程圖，如圖1所示。

圖1　交換混合矩陣系統(tǒng)信號流程圖。

　　ai 和bj 由音量控制芯片來實現，數/模及模/數轉換分別由專用芯片來實現，矩陣Q 和多路加法器由FPGA來實現。

　　系統(tǒng)交換容量設定為16 ×16， 即n = 16， m =16。針對不同系統(tǒng)需求，可擴展或縮減交換容量。

　　2. 2　系統(tǒng)硬件設計

　　由系統(tǒng)信號流程圖可知，系統(tǒng)總體的硬件模塊由輸入音量控制、數/模轉換、交換混合矩陣、模/數轉換、輸出音量控制等組成。系統(tǒng)總體硬件模塊框圖如圖2所示。

圖2　交換混合矩陣總體硬件模塊結構框圖。

　　輸入音量控制芯片選用PGA4311，其增益調節(jié)范圍為31. 5 dB～ - 95. 5 dB。使用SPI總線對其進行控制。

　　輸入模/數轉換芯片選用PCM4204，該芯片采用IO接口控制工作模式和參數。具體設置方式見文獻。

　　輸出數/模轉換及音量控制芯片選用PCM1681，工作于從機方式，使用I2C接口對其進行控制。具體設置及使用方法見文獻。

　　通過對模/數及數/模轉換芯片的設置，可以根據系統(tǒng)需求調整數字音頻信號的采樣精度及頻率。

　　本文所述方案實例的采樣頻率為97. 7 kHz，采樣精度為24 bit，采用左對齊PCM編碼方式傳輸，其傳輸時序圖如圖3所示。

圖3　PCM編碼傳送時序(左對齊)。