音頻信號采集與AGC算法的DSP實(shí)現(xiàn)

    電臺等由于其自辦頻道的廣告、新聞、廣播劇、歌曲和轉(zhuǎn)播節(jié)目等音頻信號電平大小不一，導(dǎo)致節(jié)目播出時(shí)，音頻信號忽大忽小，嚴(yán)重影響用戶的收聽效果。在轉(zhuǎn)播時(shí)，由于傳輸距離等原因，在信號的輸出端也存在信號大小不一的現(xiàn)象。過去，對大音頻信號采用限幅方式，即對大信號進(jìn)行限幅輸出，小信號不予處理。這樣，仍然存在音頻信號過小時(shí)，用戶自行調(diào)節(jié)音量，也會影響用戶的收聽效果。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。其中語音處理是數(shù)字信號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。語音處理可采用通用數(shù)字信號處理器DSP和現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 實(shí)現(xiàn)，其中DSP實(shí)現(xiàn)方法具有實(shí)現(xiàn)簡便、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價(jià)比，能夠解決復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)和滿足系統(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)上對音頻信號做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)目音頻不均衡等問題。

音頻信號采集

    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)來實(shí)現(xiàn)與AIC23的無縫連接。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CPU的影響。

    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。模擬口是用來輸入輸出音頻信號的，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，通過數(shù)字控制口將芯片的控制字寫入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來實(shí)現(xiàn)。

    AIC23通過數(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BCLKX0和發(fā)送幀同步信號BFSX0。在這種工作方式下，接收時(shí)種信號BCLKR0和接收幀同步信號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(通用音頓格式)模式，也支持DSP模式(專與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。
圖2是音頻信號采集的具體電路圖。

    電路的設(shè)計(jì)和布線是信號采集過程中一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它的效果直接關(guān)系到后期信號處理的質(zhì)量。對于DSP達(dá)類高速器件，外部晶體經(jīng)過內(nèi)部的PLL倍頻以后可達(dá)上百兆。這就要求信號線走等長線和繪制多層電路板來消除電磁干擾和信號的反射。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"樹杈型"、模擬區(qū)和數(shù)字區(qū)分開等原則，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實(shí)現(xiàn)音頻信號的AGC。

    音頻AGC是音頻自動(dòng)增益控制算法，更為準(zhǔn)確的說是峰值自動(dòng)增益控制算法，是一種根據(jù)輸入音頻信號水平自動(dòng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整增益的機(jī)制。當(dāng)音量(無論是捕捉到的音量還是再現(xiàn)的音量)超過某一門限值，信號就會被限幅。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)檢測到音頻增益達(dá)到了某一門限時(shí)，它會自動(dòng)減小增益來避免限幅的發(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)整不會使音量超過用戶在調(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。

AGC算法的實(shí)現(xiàn)過程

    首先從串口獲取音頻數(shù)據(jù)，它是16位的整型數(shù)，一般來說，這些數(shù)都是比較小的，通過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)是相對穩(wěn)定的。當(dāng)音量加大時(shí)，信號峰值會自動(dòng)增加，從而增益系數(shù)自動(dòng)下降；當(dāng)音量減小時(shí)，新的峰值會減小并且取代原來的峰值，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)后映射到音頻信號輸入的投影區(qū)間內(nèi)。

    圖4是音頻信號AGC算法的程序流程圖。

    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人模塊。系統(tǒng)主函數(shù)main( )、CMD文件、中斷向量表、DSP5402頭文件和專為C語言開發(fā)的庫函數(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集成開發(fā)環(huán)境下，采用*.c語言和*.asm語言相結(jié)合的方式編寫程序。將編寫的程序*.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，通過仿真器將執(zhí)行目標(biāo)文件*.out下載到系統(tǒng)板上，經(jīng)過調(diào)試、編譯并運(yùn)行，以音樂作為音頻信號源輸入到系統(tǒng)板上。

結(jié)語

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