代微璐，黃曉革

（電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610054）

濾波/均衡器、壓限器等是聲頻系統(tǒng)中常用的信號(hào)處理設(shè)備模塊，其目的是用以實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整、頻率均衡、聲音效果和動(dòng)態(tài)壓縮/限制等處理的功能。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，與模擬音頻系統(tǒng)相比，數(shù)字音頻在處理、傳輸、儲(chǔ)存等各方面都有很強(qiáng)的優(yōu)越性。數(shù)字音頻處理在現(xiàn)代音頻處理系統(tǒng)中具有模擬音頻處理無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，各種信號(hào)處理設(shè)備已逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。目前通用 DSP在數(shù)字音頻處理的應(yīng)用中存在各個(gè)模塊的算法復(fù)雜、代碼移植繁瑣、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等不方便的地方[1]。而目前專(zhuān)用音頻DSP地出現(xiàn)將使數(shù)字音頻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作變得更方便高效。現(xiàn)在已有單片集成電路上集成了多路音頻專(zhuān)用DSP和高性能聲頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的解決方案[2]。以圖形化的模塊代替復(fù)雜的算法和繁瑣的代碼縮短了開(kāi)發(fā)的時(shí)間和精力。并且為開(kāi)發(fā)人員提供了專(zhuān)業(yè)高品質(zhì)的數(shù)字聲音處理模塊。

1 數(shù)字音頻協(xié)議與芯片功能介紹

1.1 TDM數(shù)字音頻協(xié)議

TDM-I2S是一種在IIS協(xié)議基礎(chǔ)上的時(shí)分復(fù)用的數(shù)字音頻協(xié)議。

TDM-2S串行數(shù)字總線主要由4條信號(hào)線組成：

1）MCLK，系統(tǒng)時(shí)鐘，其頻率一般是采樣頻率的256倍。

2）LRCK，幀時(shí)鐘，每個(gè)LRCK可以傳輸8路音頻信號(hào)，LRCK的頻率等于采樣頻率。

3）BCLK，位時(shí)鐘，即對(duì)應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，每一路音頻信號(hào)對(duì)應(yīng)32個(gè)BCLK時(shí)鐘。

4）SDATA，串行數(shù)據(jù)，用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的音頻數(shù)據(jù)。

其時(shí)序結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 TDM-I2S邏輯時(shí)序Fig.1 Sequence of TDM-I2S bus

1.2 芯片介紹

AD1940/AD1941是ADI公司推出的一款完整的28位、單芯片、多通道音頻DSP。音頻的大部分處理均采用完全56位雙精度模式完成，低電平信號(hào)性能極佳，并且無(wú)極限環(huán)或空閑音。壓縮器/限幅器采用高端廣播壓縮器常用的先進(jìn)多斷點(diǎn)算法。芯片的數(shù)字輸入和輸出端口可以通過(guò)多個(gè)雙通道串行數(shù)據(jù)流或TDM數(shù)據(jù)流，與ADC和DAC實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。在TDM模式下，AD1941可以輸入8通道或16通道串行數(shù)據(jù)，并且可以輸出8通道或16通道串行數(shù)據(jù)。輸入和輸出端口配置可以分別獨(dú)立設(shè)置。

2 模塊總體設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)USB轉(zhuǎn)IIC下載線對(duì)AD1941數(shù)字音頻模塊芯片配置，進(jìn)行諸如：音量控制、濾波、增益、壓限等音頻處理。如圖1為數(shù)字音頻處理模塊信號(hào)流程圖，外部為模塊提供音頻信號(hào)的主時(shí)鐘MCLK，4路立體聲數(shù)字音頻通過(guò)TDM模式傳輸?shù)揭纛l處理模塊，模塊對(duì)4路立體聲音頻信號(hào)進(jìn)行前級(jí)濾波，多段EQ均衡器，后增益，多頻段壓縮/限幅的處理。上位機(jī)可以通過(guò)IIC控制端口可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)免點(diǎn)擊參數(shù)更新，最后芯片模塊選擇通過(guò)TDM模式輸出數(shù)字音頻。

圖2 數(shù)字音頻處理模塊信號(hào)流程圖Fig.2 Sequence of TDM-I2S bus

3 AD1941硬件電路設(shè)計(jì)

AD1941芯片的外圍電路為：輸入數(shù)字信號(hào)，輸出數(shù)字信號(hào)，I2C控制，電源，芯片管腳配置 。在本設(shè)計(jì)中輸入數(shù)字信號(hào)既可以用標(biāo)準(zhǔn)的IIS信號(hào)，也可以用時(shí)分復(fù)用的TDM-IIS信號(hào)。輸出亦然?？刂撇捎昧薎IC控制協(xié)議，用來(lái)配置內(nèi)部寄存器、下載程序。

在程序運(yùn)行時(shí)，IIC也可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)程序參數(shù)。ADR_SEL接上4.7 kΩ電阻上拉至3.3 V，把芯片設(shè)備地址的低位為1。把 PLL_CTRL2上拉、PLL_CTRL1下拉、PLL_CTRL0上拉，配置為“101”使系統(tǒng)時(shí)鐘（MCLK=Fs*256）。圖3為本設(shè)計(jì)的外圍電路。

在AD1941的電路中，需要注意以下問(wèn)題：

1）電源與地的設(shè)計(jì)。在電源方面芯片需要3.3 V與2.5 V的兩組電源。電源由外部系統(tǒng)提供，在外部電源雨內(nèi)部電源中間添加了保險(xiǎn)管，用來(lái)防止外部電源異常時(shí)對(duì)芯片的損壞。芯片的電源管腳都采用了相應(yīng)的0.1 μF的陶瓷濾波電容。

2）數(shù)字接口設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的硬件電路采用冗余的數(shù)字接口。同時(shí)兼容IIS與TDM-IIS兩種數(shù)字音頻協(xié)議。當(dāng)在TDM-IIS協(xié)議中輸入為1941B_SIN3管腳，輸出為1941B_SOUT0管腳。

3）阻抗匹配。為了減少傳輸線上的信號(hào)被反射，在信號(hào)的源端與傳輸線之間串接一個(gè)33 Ω電阻，使源端的輸出阻抗與傳輸線的特征阻抗相匹配。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件使用ADI的音頻處理芯片專(zhuān)用的輔助圖形畫(huà)編譯軟件SIGMA STDIO。此軟件支持下載器在線調(diào)試，設(shè)計(jì)對(duì)八路信號(hào)進(jìn)行EQ調(diào)節(jié)，前后增益的軟件。結(jié)合參數(shù)寄存器介紹EQ調(diào)節(jié)的程序運(yùn)行時(shí)候的動(dòng)態(tài)參數(shù)調(diào)試。

圖3 AD1941外圍電路Fig.3 Peripheral circuit of AD1941

4.1 AD1941內(nèi)核寄存器的控制

打開(kāi)SIGMA STDIO軟件，在軟件左邊的Tree Toolbox下的Communication Channel拖入 USBi模塊、Processors下拖入AD1941模塊，用線連接USBi與AD1941并選擇芯片IIC的從地址。點(diǎn)擊進(jìn)入Hardware的Register Control，對(duì)于輸入模塊把Serial input設(shè)置成TDM，把Input Serial Port to Sync設(shè)置為L(zhǎng)RCLK，把Input配置為以LRCLK為同步信號(hào)的TMD輸出模式。對(duì)于輸出模塊把Serial Output的Frame Sync Type（幀同步類(lèi)型）設(shè)置成LRCLK、Frame Sync Freq設(shè)置成clock/1536、MSB Position設(shè)置為 delay by 1、word length設(shè)置為 24 bits、最后選擇TDM enable，把Output配置為T(mén)DM輸出模式。對(duì)于核寄存器把Dsp core的Program Length設(shè)置為1536（48 kHz），并選擇Zero All Registers用于在對(duì)芯片啟動(dòng)前對(duì)說(shuō)有的寄存器清零。

通過(guò)以上的設(shè)置整個(gè)音頻模塊把模塊配置為對(duì)頻率為48 kHz，有效位為 24 bits，同步信號(hào)為 LRCLK，輸入輸出為T(mén)MD模式的模塊。

4.2 音頻處理模塊編寫(xiě)

在本設(shè)計(jì)下我們要對(duì)4路立體聲（8路信號(hào)）進(jìn)行EQ和前后增益的處理。

1）連接USB設(shè)備。當(dāng)把下載線插入U(xiǎn)SB接口，windows可以探測(cè)到USB設(shè)備。打開(kāi)添加硬件向?qū)Э梢皂樌瓿蒛SB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的安裝。

2）設(shè)置輸入輸出。打開(kāi)SIGMA STDIO軟件，在（IC1）AD1941的IO選項(xiàng)里面選擇Input并添加schematic窗口內(nèi)，把輸入設(shè)置為8路輸入。選擇Output并添加schematic窗口內(nèi)，把輸出設(shè)置為8路輸出。

3）添加雙路立體聲EQ。在Filters選項(xiàng)里面選擇Second Order（二階濾波器），然后選擇 Double Precision（雙精度），再選擇2 Ch（雙通道立體聲），最后選擇Medium-sized（中等類(lèi)型的）。添加到窗口里。然后把1路的EQ設(shè)置成8路EQ。并設(shè)置各路EQ的中心頻率、EQ類(lèi)型、Gain、Q值、各段EQ的數(shù)值。類(lèi)似的添加另外3路形成4路立體聲EQ。

4）添加前后立體聲增益。在Basic DSP選項(xiàng)里面選擇Linear Gain，點(diǎn)擊設(shè)置為雙通路的Gain，在每個(gè)EQ前后分別放置一個(gè)Gain模塊。

5）添加壓限。在Dynamic Processor選項(xiàng)，里面選擇RMS Detector，點(diǎn)擊設(shè)置壓限的各種參數(shù)。

6）把8路信號(hào)按順序連接前增益、八段EQ、后增益、輸出。

7） 分別按順序執(zhí)行 link project、link compile project、link compile download，把程序下載到芯片中。

8）程序下載完成后通過(guò)圖形化操作動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)EQ、前后增益、壓限，音頻模塊的參數(shù)，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)音頻參數(shù)。

圖4是基于SIGMA STUDIO編寫(xiě)的音頻處理模塊的程序框圖[4]。其8路信號(hào)分成以一個(gè)立體聲為一個(gè)單位的4組立體聲音頻處理單元，每路立體聲分別進(jìn)過(guò)前增益、EQ均衡器、后增益、壓限[5]。

圖4 數(shù)字音頻處理SIGMA STUDIO程序框圖Fig.4 The program diagram of digital audio processing

5 結(jié) 論

筆者設(shè)計(jì)一種基于AD1941芯片以及配套設(shè)計(jì)軟件SIGMA STUDIO的系統(tǒng)。以AD1941為核心，實(shí)現(xiàn)了前后增益、EQ均衡器、壓限等多種數(shù)字音頻處理[6]。基于PC端的SIGMA STUDIO設(shè)計(jì)軟件是通過(guò)使用軟件提供的各種圖形化的音頻處理模塊，配合使用基于IIC協(xié)議的下載線，使數(shù)字音頻設(shè)計(jì)變得方便快捷。

[1]彭妙顏，周錫韜.數(shù)字聲頻設(shè)備與系統(tǒng)工程[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[2]鄒偉勝.模擬/數(shù)碼音響調(diào)音技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]AD1941:SigmaDSP?multichannel 28-Bit audio processor data sheet[EB/OL].[2011-07-31].http://www.analog.com/en/audiovideo-products/audio-signal-processors/ad1941/products/product.html.

[4]AN-1006:Using the EVAL-ADUSB2EBZ[EB/OL].[2011-07-01].http://www.analog.com/.

[5]張賢達(dá).現(xiàn)代信號(hào)處理[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，1996.

[6]鄒勇，吳先球.基于 AD1954的數(shù)字音響處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電聲技術(shù)，2009（5）:33-35.

ZOU Yong，WU Xian-qiu.Digital sound processing system designbasedonAD1954[J].AudioEngineering，2009（5）:33-35.