音頻信號(hào)采集與AGC算法的DSP實(shí)現(xiàn)

摘要： 在DSP與音頻芯片的良好硬件構(gòu)架上，對(duì)輸入的音頻信號(hào)做 AGC算法處理——大音頻信號(hào)自動(dòng)壓縮，小音頻信號(hào)自動(dòng)提升，解決了不同節(jié)目音頻不均的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： TMS320VC5402；TLV320AIC23；MCBSP；AGC

引言

電臺(tái)等由于其自辦頻道的廣告、新聞、廣播劇、歌曲和轉(zhuǎn)播節(jié)目等音頻信號(hào)電平大小不一，導(dǎo)致節(jié)目播出時(shí)，音頻信號(hào)忽大忽小，嚴(yán)重影響用戶(hù)的收聽(tīng)效果。在轉(zhuǎn)播時(shí)，由于傳輸距離等原因，在信號(hào)的輸出端也存在信號(hào)大小不一的現(xiàn)象。過(guò)去，對(duì)大音頻信號(hào)采用限幅方式，即對(duì)大信號(hào)進(jìn)行限幅輸出，小信號(hào)不予處理。這樣，仍然存在音頻信號(hào)過(guò)小時(shí)，用戶(hù)自行調(diào)節(jié)音量，也會(huì)影響用戶(hù)的收聽(tīng)效果。隨著電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)已廣泛地深入到人們生活等各個(gè)領(lǐng)域。其中語(yǔ)音處理是數(shù)字信號(hào)處理最活躍的研究方向之一，在IP電話和多媒體通信中得到廣泛應(yīng)用。語(yǔ)音處理可采用通用數(shù)字信號(hào)處理器DSP和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)實(shí)現(xiàn)，其中DSP實(shí)現(xiàn)方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便、程序可移植行強(qiáng)、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別是TI公司TMS320C54X系列在音頻處理方面有很好的性?xún)r(jià)比，能夠解決復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)和滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在DSP的基礎(chǔ)上對(duì)音頻信號(hào)做AGC算法處理可以使輸出電平保持在一定范圍內(nèi)，能夠解決不同節(jié)目音頻不均衡等問(wèn)題。

音頻信號(hào)采集

TI公司DSP芯片TMS320VC5402具有獨(dú)特的6總線哈佛結(jié)構(gòu)，使其能夠6條流水線同時(shí)工作，工作頻率達(dá)到100MHz 。利用VC5402的2個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP0和McBSP1)來(lái)實(shí)現(xiàn)與AIC23的無(wú)縫連接。VC5402的多通道帶緩沖的串行口在標(biāo)準(zhǔn)串口的基礎(chǔ)上加了一個(gè)2K的緩沖區(qū)。每次串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，CPU自動(dòng)將發(fā)送緩沖中的數(shù)據(jù)送出；而當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，CPU自動(dòng)將收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入接收緩存。在自動(dòng)緩沖方式下，不需每傳送一個(gè)字就發(fā)一次中斷，而是每通過(guò)一次緩沖器的邊界，才產(chǎn)生中斷至CPU，從而減少頻繁中斷對(duì)CPU的影響。

圖1  AIC23與VC5402的接口連接

音頻芯片采用TLV320 AIC23，它是TI公司的一款高性能立體聲音頻A/D，D/A放大電路。AIC23的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換部件高度集成在芯片內(nèi)部，采用了先進(jìn)的過(guò)采樣技術(shù)。AIC23的外部硬件接口分為模擬口和數(shù)字口。模擬口是用來(lái)輸入輸出音頻信號(hào)的，支持線路輸入和麥克風(fēng)輸入；有兩組數(shù)字接口，其一是由/CS、SDIN、SCLK和MODE構(gòu)成的數(shù)字控制接口。AIC23是一塊可編程的音頻芯片，通過(guò)數(shù)字控制口將芯片的控制字寫(xiě)入AIC23內(nèi)部的寄存器，如采樣率設(shè)置，工作方式設(shè)置等，共有12個(gè)寄存器。音頻控制口與DSP的通信主要由多通道緩沖串行口McBSP1來(lái)實(shí)現(xiàn)。

AIC23通過(guò)數(shù)字音頻口與DSP的McBSP0完成數(shù)據(jù)的通信，DSP做主機(jī)，AIC23做從機(jī)。主機(jī)提供發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)BCLKX0和發(fā)送幀同步信號(hào)BFSX0。在這種工作方式下，接收時(shí)種信號(hào)BCLKR0和接收幀同步信號(hào)BFSR0實(shí)際上都是由主機(jī)提供的。圖1是 AIC23與VC5402的接口連接。

AIC23的數(shù)字音頻接口支持S(通用音頻格式)模式，也支持DSP模式(專(zhuān)與TIDSP連接模式)，在此采用DSP模式。DSP模式工作時(shí)，它的幀寬度可以為一個(gè)bit長(zhǎng)。

圖2 音頻信號(hào)采集的具體電路圖。

電路的設(shè)計(jì)和布線是信號(hào)采集過(guò)程中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它的效果直接關(guān)系到后期信號(hào)處理的質(zhì)量。對(duì)于DSP這類(lèi)高速器件，外部晶體經(jīng)過(guò)內(nèi)部的PLL倍頻以后可達(dá)上百兆。這就要求信號(hào)線走等長(zhǎng)線和繪制多層電路板來(lái)消除電磁干擾和信號(hào)的反射。在兩層板的前提下，可以采取頂層與底層走交叉線、盡量加寬電源線和地線的寬度、電源線成“樹(shù)杈型”、模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開(kāi)等原則，可以達(dá)到比較好的效果。

音頻AGC算法的實(shí)現(xiàn)

AGC算法

使放大電路的增益隨信號(hào)強(qiáng)度的變化而自動(dòng)調(diào)整的控制方法，就是AGC—自動(dòng)增益控制。實(shí)現(xiàn)AGC可以是硬件電路，即AGC閉環(huán)電子電路，也可以是軟件算法。本文主要討論用軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的AGC。

音頻AGC是音頻自動(dòng)增益控制算法，更為準(zhǔn)確的說(shuō)是峰值自動(dòng)增益控制算法，是一種根據(jù)輸入音頻信號(hào)水平自動(dòng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整增益的機(jī)制。當(dāng)音量(無(wú)論是捕捉到的音量還是再現(xiàn)的音量)超過(guò)某一門(mén)限值，信號(hào)就會(huì)被限幅。限幅指的是音頻設(shè)備的輸出不再隨著輸入而變化，輸出實(shí)質(zhì)上變成了最大音量位置上的一條水平線；當(dāng)檢測(cè)到音頻增益達(dá)到了某一門(mén)限時(shí)，它會(huì)自動(dòng)減小增益來(lái)避免限幅的發(fā)生。另一方面，如果捕捉到的音量太低時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)提高增益。當(dāng)然，增益的調(diào)整不會(huì)使音量超過(guò)用戶(hù)在調(diào)節(jié)向?qū)е性O(shè)置的值。圖3是音頻AGC算法的結(jié)構(gòu)框圖。

圖 3  峰值A(chǔ)GC 結(jié)構(gòu)框圖

AGC算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

首先從串口獲取音頻數(shù)據(jù)，它是16位的整型數(shù)，一般來(lái)說(shuō)，這些數(shù)都是比較小的，通過(guò)AGC算法將輸入的音頻數(shù)據(jù)投影在一個(gè)固定區(qū)間內(nèi)，從而使得不論輸入的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)值大小都會(huì)等比例地向這個(gè)空間映射。一方面將獲得的音頻數(shù)據(jù)最大值與原來(lái)的峰值進(jìn)行比較，如果有新的峰值出現(xiàn)就計(jì)算新的增益系數(shù)；另一方面在一定的時(shí)間周期內(nèi)獲取一個(gè)新的峰值，這個(gè)峰值就具有檢測(cè)性能，又與原峰值比較，然后就計(jì)算新的增益系數(shù)。這個(gè)增益系數(shù)是相對(duì)穩(wěn)定的。當(dāng)音量加大時(shí)，信號(hào)峰值會(huì)自動(dòng)增加，從而增益系數(shù)自動(dòng)下降；當(dāng)音量減小時(shí)，新的峰值會(huì)減小并且取代原來(lái)的峰值，從而使峰值下降，使增益系數(shù)上升。最后輸出的數(shù)據(jù)乘以新增益系數(shù)后映射到音頻信號(hào)輸入的投影區(qū)間內(nèi)。

圖4是音頻信號(hào)AGC算法的程序流程圖。

圖4  峰值A(chǔ)GC程序流程圖

AGC_Coff是初始增益系數(shù)，初始值為1；maxAGC_in是增益峰值,初始值為0；time是采樣點(diǎn)計(jì)數(shù)，門(mén)限值為4096；AGC_in是新的音頻數(shù)據(jù)，MAXArrIn是新的音頻增益峰值；映射區(qū)間【－20000，20000】。 

整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分為5大模塊。系統(tǒng)主函數(shù)main( )、CMD文件、中斷向量表、DSP5402頭文件和專(zhuān)為C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的庫(kù)函數(shù)rtdx.lib。其中主函數(shù)部分是核心，主要包括：DSP器件初始化、MCBSP1初始化、MCBSP0初始化、AIC23初始化(內(nèi)部12個(gè)可編程寄存器設(shè)置)及算法程序等。

在CCS2.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下[4]，采用*.c語(yǔ)言和*.asm語(yǔ)言相結(jié)合的方式編寫(xiě)程序。將編寫(xiě)的程序*.c、*.asm和鏈接程序*.cmd文件編譯鏈接后生成執(zhí)行目標(biāo)文件*.out，通過(guò)仿真器將執(zhí)行目標(biāo)文件*.out下載到系統(tǒng)板上，經(jīng)過(guò)調(diào)試、編譯并運(yùn)行，以音樂(lè)作為音頻信號(hào)源輸入到系統(tǒng)板上。

結(jié)語(yǔ)

這套完整的音頻信號(hào)采集和處理系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際的音頻設(shè)備中。

參考文獻(xiàn)：
1.  李夕紅、祝忠明，基于DSP5402的音頻處理設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電聲技術(shù)，2006第12期
2.  TMS320UVC5402 data manual
3.  TLV320AIC23  data manual
4.  www.ti.com