徐榮,曾瓊,田湘

(解放軍理工大學(xué),南京 210007)

徐榮(講師),主要研究領(lǐng)域?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航。

引 言

音頻接收設(shè)備已經(jīng)是日常生活、學(xué)習(xí)、工作中不可缺少的工具,但是在使用過程中由于某些原因,如切換頻道、播放廣告等,信號(hào)輸出時(shí)會(huì)出現(xiàn)音量大小不一的情況,嚴(yán)重影響用戶的收聽效果。產(chǎn)生這種音量相差較大的主要原因是音頻信號(hào)輸入的幅度不一致,解決辦法就是進(jìn)行增益控制。

最早的增益控制是模擬電路檢測控制,但模擬電路設(shè)計(jì)相對繁瑣,且難以實(shí)現(xiàn)較寬范圍的增益控制,因此隨著數(shù)字信號(hào)處理器件(DSP)的發(fā)展,采用 DSP進(jìn)行增益控制成為主流。起初數(shù)字器件處理的一般方法是大的信號(hào)減小增益,小的信號(hào)不處理。現(xiàn)在也有對小信號(hào)進(jìn)行放大的方法,但由于擔(dān)心在沒有信號(hào)輸入的情況下增益調(diào)整太大,會(huì)使背景噪聲也加大,因此增益調(diào)整范圍不大,不能達(dá)到理想的控制效果。另外,基本都是對輸入信號(hào)進(jìn)行檢測,即前饋控制,對輸出信號(hào)不進(jìn)行檢測,這樣在輸入時(shí)若增益較大,輸出會(huì)被限幅,影響收聽效果。且DSP方案成本相對較高。本方案采用成本低的單片機(jī)為處理核心,通過簡單的增益控制算法完成增益自動(dòng)控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)以音頻信號(hào)的采集處理為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。音頻控制芯片PGA2311兩邊的音頻信號(hào)輸入和輸出端,經(jīng)放大器 TL084電平搬移后送到MSP430F149的A/D口進(jìn)行采樣(對信號(hào)輸入/輸出端都進(jìn)行檢測目的是解決在輸入端無信號(hào)情況下增益是否調(diào)整的問題,同時(shí)避免增益過大導(dǎo)致輸出端限幅發(fā)生)。采樣數(shù)據(jù)由軟件算法處理得到增益值,經(jīng)電平變換器74HC245配置到PGA2311。按鍵和數(shù)碼管完成輸出電平門限范圍的設(shè)置和顯示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 主控電路

主控芯片MSP430F149是一款16位、48個(gè)8位并行I/O口、具有精簡指令集、超低功耗(節(jié)電模式下最低只有0.1 μ A)的單片機(jī),其尋址空間共64 KB其中 RAM 為2 KB,給系統(tǒng)開發(fā)帶來很大的方便。它內(nèi)置一個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12、采樣保持器和模擬多路器。ADC12具有高速、通用的特點(diǎn),能夠?qū)?個(gè)外部模擬源和4個(gè)內(nèi)部參考電源(包括內(nèi)部溫度傳感器源)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC12還提供多種采樣觸發(fā)方式、轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期、轉(zhuǎn)換模式的選擇。

PGA2311是一款雙聲道、可編程增益放大器,與MSP430F149之間通過SPI總線交互,其增益范圍為+31.5～ -95.5 dB。

圖1中 MSP430F149是 3.3 V供電,而PGA2311是±5 V供電的CMOS器件,因此在I/O邏輯電平匹配時(shí)需要注意,在驅(qū)動(dòng)PGA2311時(shí)用電平移位器74HC245達(dá)到電平匹配。

1.2 電平搬移電路

由于一般音頻輸出設(shè)備音量大小不一且為交流耦合形式,而 MSP430F149的A/D采樣電壓范圍是 0～2.5 V,為了使被采樣信號(hào)與A/D匹配避免削波失真,需要將輸入信號(hào)比例放大(或縮小),并將中心電壓搬移至1.25 V附近。如圖2所示。

圖2 電平搬移電路

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括按鍵顯示、外設(shè)控制、音頻信號(hào)處理幾個(gè)部分,重點(diǎn)是音頻信號(hào)處理的AGC算法。按鍵顯示響應(yīng)用戶設(shè)置輸出音量大小并顯示出來,外設(shè)控制主要是對PGA2311進(jìn)行配置。

2.1 AGC算法

AGC算法核心是通過信號(hào)的包絡(luò)信息來判斷信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍是否超過設(shè)置大小,這里需要快速跟蹤包絡(luò)的變化,及時(shí)進(jìn)行增益控制。

以往的AGC算法中乘除法運(yùn)算對CPU資源的占用較大。這里提出的AGC算法比較簡單實(shí)用,其流程如圖3所示。具體實(shí)現(xiàn)過程:從單片機(jī)的A/D口,獲得音頻輸入/輸出信號(hào)的電平存入數(shù)組。數(shù)組存儲(chǔ)數(shù)據(jù)達(dá)到門限比較要求,進(jìn)入峰值比較流程。根據(jù)存儲(chǔ)的輸入信號(hào)數(shù)據(jù),采用冒泡排序的算法找出最大幅值,判斷輸入端是否有信號(hào)。如果判定沒有音頻信號(hào)輸入,則增益不調(diào)整,防止由于輸出信號(hào)太小而一直增大增益,噪聲過大,或者一旦出現(xiàn)聲音,由于增益過大而出現(xiàn)短時(shí)間輸出聲音太大。輸入端有信號(hào),則對輸出端進(jìn)行檢測,同樣調(diào)用冒泡排序程序找出最大幅值,如發(fā)現(xiàn)輸出信號(hào)大小超過設(shè)定門限,則減小增益,反之則增大增益。在減小增益時(shí),步進(jìn)要大些,而在增大增益時(shí)步進(jìn)要小些,這樣在增益調(diào)整時(shí)輸出的音量使用戶聽覺上不覺得難受。

圖3 AG C算法流程

3 實(shí)驗(yàn)論證

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。設(shè)定輸出電平范圍,由計(jì)算機(jī)輸入突變的音頻信號(hào),通過示波器觀察輸出,如圖4所示。

圖4 低音變高音結(jié)果

從圖4中方框所標(biāo)示的音量突變區(qū)域,可以看出輸入音量突然增大后,在500 ms內(nèi)就將增益調(diào)低,保持音量輸出在設(shè)定范圍輸出。高音突變低音等實(shí)驗(yàn)由于調(diào)整周期較長,這里就不作圖示整個(gè)調(diào)整過程了。

結(jié) 語

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,該設(shè)計(jì)增益控制及時(shí)、準(zhǔn)確,保持輸出信號(hào)電平在設(shè)定范圍穩(wěn)定輸出,且低功耗,實(shí)現(xiàn)簡單,可移植性強(qiáng),可以滿足目前用戶對音頻接收設(shè)備音量輸出的要求。

[1]李夕紅,祝忠明,謝興紅.音頻信號(hào)采集與AGC算法的DSP實(shí)現(xiàn)[J].設(shè)計(jì)天地,2007(4).

[2]谷炳海,張友鵬.AGC算法在DSP中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,7(22).

[3]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.