【導讀】電臺等由于其自辦頻道的廣告、新聞、廣播劇、歌曲和轉播節目等音頻信號電平大小不一，導致節目播出時(shí)，音頻信號忽大忽小，嚴重影響用戶(hù)的收聽(tīng)效果。在轉播時(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象。那么如何解決不同節目音頻不均衡的問(wèn)題呢？
過(guò)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(guò)小時(shí)，用戶(hù)自行調節音量，也會(huì )影響用戶(hù)的收聽(tīng)效果。隨著(zhù)電子技術(shù)，計算機技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數字信號處理技術(shù)已廣泛地深入到人們生活等各個(gè)領(lǐng)域。其中語(yǔ)音處理是數字信號處理最活躍的研究方向之一，在IP電話(huà)和多媒體通信中得到廣泛應用。
語(yǔ)音處理可采用通用數字信號處理器DSP和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA) 實(shí)現，其中DSP實(shí)現方法具有實(shí)現簡(jiǎn)便、程序可移植行強、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，能夠解決復雜的算法設計和滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，在許多領(lǐng)域得到廣泛應用。在DSP的基礎上對音頻信號做AGC算法處理可以使輸出電平保持在一定范圍內，能夠解決不同節目音頻不均衡等問(wèn)題。
音頻信號采集
TI公司DSP芯片TMS320V
C5402具有獨特的6總線(xiàn)哈佛結構，使其能夠6條流水線(xiàn)同時(shí)工作，工作頻率達到100MHz。利用VC5402的2個(gè)多通道緩沖串行口(McBSP0和McBSP1)來(lái)實(shí)現與AIC23的無(wú)縫連接。VC5402的多通道帶緩沖的串行口在標準串口的基礎上加了一個(gè)2K的緩沖區。每次串口發(fā)送數據時(shí)，CPU自動(dòng)將發(fā)送緩沖中的數據送出；而當接收數據時(shí)，CPU自動(dòng)將收到的數據寫(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的模數轉換和數模轉換部件高度集成在芯片內部，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字口。模擬口是用來(lái)輸入輸出音頻信號的，支持線(xiàn)路輸入和麥克風(fēng)輸入；有兩組數字接口，其一是由／CS、SDIN、SCLK和MODE構成的數字控制接口。AIC23是一塊可編程的音頻芯片，通過(guò)數字控制口將芯片的控制字寫(xiě)入AIC23內部的寄存器，如采樣率設置，工作方式設置等，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。
AIC23通過(guò)數字音頻口與DSP的McBSP0完成數據的通信，DSP做主機，AIC23做從機。主機提供發(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)際上都是由主機提供的。
圖1是AIC23與VC5402的接口連接。
AIC23的數字音頻接口支持S(通用音頓格式)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(cháng)。
圖2是音頻信號采集的具體電路圖。
電路的設計和布線(xiàn)是信號采集過(guò)程中一個(gè)很重要的環(huán)節，它的效果直接關(guān)系到后期信號處理的質(zhì)量。對于DSP達類(lèi)高速器件，外部晶體經(jīng)過(guò)內部的PLL倍頻以后可達上百兆。這就要求信號線(xiàn)走等長(cháng)線(xiàn)和繪制多層電路板來(lái)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(xiàn)、盡量加寬電源線(xiàn)和地線(xiàn)的寬度、電源線(xiàn)成"樹(shù)杈型"、模擬區和數字區分開(kāi)等原則，可以達到比較好的效果。
音頻AGC算法的實(shí)現
AGC算法
使放大電路的增益隨信號強度的變化而自動(dòng)調整的控制方法，就是AGC-自動(dòng)增益控制。實(shí)現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)現音頻信號的AGC。
音頻AGC是音頻自動(dòng)增益控制算法，更為準確的說(shuō)是峰值自動(dòng)增益控制算法，是一種根據輸入音頻信號水平自動(dòng)動(dòng)態(tài)地調整增益的機制。當音量(無(wú)論是捕捉到的音量還是再現的音量)超過(guò)某一門(mén)限值，信號就會(huì )被限幅。限幅指的是音頻設備的輸出不再隨著(zhù)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(xiàn)；當檢測到音頻增益達到了某一門(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)，系統將自動(dòng)提高增益。當然，增益的調整不會(huì )使音量超過(guò)用戶(hù)在調節向導中設置的值。
圖3是音頻AGC算法的結構框圖。
AGC算法的實(shí)現過(guò)程
首先從串口獲取音頻數據，它是16位的整型數，一般來(lái)說(shuō)，這些數都是比較小的，通過(guò)AGC算法將輸入的音頻數據投影在一個(gè)固定區間內，從而使得不論輸入的數據點(diǎn)數值大小都會(huì )等比例地向這個(gè)空間映射。一方面將獲得的音頻數據最大值與原來(lái)的峰值進(jìn)行比較，如果有新的峰值出現就計算新的增益系數；另一方面在一定的時(shí)間周期內獲取一個(gè)新的峰值，這個(gè)峰值就具有檢測性能，又與原峰值比較，然后就計算新的增益系數。這個(gè)增益系數是相對穩定的。當音量加大時(shí)，信號峰值會(huì )自動(dòng)增加，從而增益系數自動(dòng)下降；當音量減小時(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，使增益系數上升。最后輸出的數據乘以新增益系數后映射到音頻信號輸入的投影區間內。
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，初始值為1；maxAGC_in是增益峰值，初始值為0；time是采樣點(diǎn)計數，門(mén)限值為4096；AGC_in是新的音頻數據，MAXArrIn是新的音頻增益峰值；映射區間【-20000，20000】。
整個(gè)系統的軟件部分為5人模塊。系統主函數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)的庫函數rtdx.lib。其中主函數部分是核心，主要包括：DSP器件初始化、MCBSP1初始化、MCBSP0初始化、AIC23初始化(內部12個(gè)可編程寄存器設置)及算法程序等。
在CCS2.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下，采用*.c語(yǔ)言和*.asm語(yǔ)言
相結合的方式編寫(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行目標文件*.out，通過(guò)仿真器將執行目標文件*.out下載到系統板上，經(jīng)過(guò)調試、編譯并運行，以音樂(lè )作為音頻信號源輸入到系統板上。
結語(yǔ)
這套完整的音頻信號采集和處理系統已經(jīng)應用于實(shí)際的音頻設備中。
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