徐榮,曾瓊,田湘

(解放軍理工大學,南京 210007)

徐榮(講師),主要研究領域為衛(wèi)星導航。

引 言

音頻接收設備已經是日常生活、學習、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,信號輸出時會出現(xiàn)音量大小不一的情況,嚴重影響用戶的收聽效果。產生這種音量相差較大的主要原因是音頻信號輸入的幅度不一致,解決辦法就是進行增益控制。

最早的增益控制是模擬電路檢測控制,但模擬電路設計相對繁瑣,且難以實現(xiàn)較寬范圍的增益控制,因此隨著數(shù)字信號處理器件(DSP)的發(fā)展,采用 DSP進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減小增益,小的信號不處理。現(xiàn)在也有對小信號進行放大的方法,但由于擔心在沒有信號輸入的情況下增益調整太大,會使背景噪聲也加大,因此增益調整范圍不大,不能達到理想的控制效果。另外,基本都是對輸入信號進行檢測,即前饋控制,對輸出信號不進行檢測,這樣在輸入時若增益較大,輸出會被限幅,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為處理核心,通過簡單的增益控制算法完成增益自動控制。

1 系統(tǒng)硬件設計

如圖1所示,整個系統(tǒng)以音頻信號的采集處理為核心進行設計。音頻控制芯片PGA2311兩邊的音頻信號輸入和輸出端,經放大器 TL084電平搬移后送到MSP430F149的A/D口進行采樣(對信號輸入/輸出端都進行檢測目的是解決在輸入端無信號情況下增益是否調整的問題,同時避免增益過大導致輸出端限幅發(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,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。它內置一個12位A/D轉換器ADC12、采樣保持器和模擬多路器。ADC12具有高速、通用的特點,能夠對8個外部模擬源和4個內部參考電源(包括內部溫度傳感器源)進行A/D轉換。ADC12還提供多種采樣觸發(fā)方式、轉換時鐘周期、轉換模式的選擇。

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邏輯電平匹配時需要注意,在驅動PGA2311時用電平移位器74HC245達到電平匹配。

1.2 電平搬移電路

由于一般音頻輸出設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,為了使被采樣信號與A/D匹配避免削波失真,需要將輸入信號比例放大(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 軟件設計

軟件設計包括按鍵顯示、外設控制、音頻信號處理幾個部分,重點是音頻信號處理的AGC算法。按鍵顯示響應用戶設置輸出音量大小并顯示出來,外設控制主要是對PGA2311進行配置。

2.1 AGC算法

AGC算法核心是通過信號的包絡信息來判斷信號的動態(tài)范圍是否超過設置大小,這里需要快速跟蹤包絡的變化,及時進行增益控制。

以往的AGC算法中乘除法運算對CPU資源的占用較大。這里提出的AGC算法比較簡單實用,其流程如圖3所示。具體實現(xiàn)過程:從單片機的A/D口,獲得音頻輸入/輸出信號的電平存入數(shù)組。數(shù)組存儲數(shù)據(jù)達到門限比較要求,進入峰值比較流程。根據(jù)存儲的輸入信號數(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。如果判定沒有音頻信號輸入,則增益不調整,防止由于輸出信號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)短時間輸出聲音太大。輸入端有信號,則對輸出端進行檢測,同樣調用冒泡排序程序找出最大幅值,如發(fā)現(xiàn)輸出信號大小超過設定門限,則減小增益,反之則增大增益。在減小增益時,步進要大些,而在增大增益時步進要小些,這樣在增益調整時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 實驗論證

為驗證設計的正確性進行實驗論證。設定輸出電平范圍,由計算機輸入突變的音頻信號,通過示波器觀察輸出,如圖4所示。

圖4 低音變高音結果

從圖4中方框所標示的音量突變區(qū)域,可以看出輸入音量突然增大后,在500 ms內就將增益調低,保持音量輸出在設定范圍輸出。高音突變低音等實驗由于調整周期較長,這里就不作圖示整個調整過程了。

結 語

實驗結果說明,該設計增益控制及時、準確,保持輸出信號電平在設定范圍穩(wěn)定輸出,且低功耗,實現(xiàn)簡單,可移植性強,可以滿足目前用戶對音頻接收設備音量輸出的要求。

[1]李夕紅,祝忠明,謝興紅.音頻信號采集與AGC算法的DSP實現(xiàn)[J].設計天地,2007(4).

[2]谷炳海,張友鵬.AGC算法在DSP中的應用[J].重慶工學院學報:自然科學版,2008,7(22).

[3]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.