一種音頻交換混合矩陣設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 一種音頻交換混合矩陣設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 音頻交換混合矩陣是各種會(huì)議、演播、指揮系統(tǒng)的設(shè)備，連接不同的音頻輸入、輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)音頻的交換及混合功能，并實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的控制與調(diào)度。 傳統(tǒng)的音頻矩陣通?；谀M開關(guān)電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，不適合構(gòu)建中大規(guī)模交換矩陣。而且，大多數(shù)矩陣不具備音量調(diào)節(jié)及信號(hào)混合功能，需要配合調(diào)音臺(tái)、信號(hào)混合器設(shè)備使用。 本文提出一種基于FPGA ( Field ProgrammableGate Array)的音頻交換混合矩陣的設(shè)計(jì)方案。該方案以交換技術(shù)原理為根底，采用數(shù)字音頻信號(hào)采樣及處理技術(shù)，構(gòu)建交換混合矩陣，實(shí)現(xiàn)了16 16路音頻信號(hào)的

2、交換、混合;設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)難度小，且可根據(jù)系統(tǒng)需求裁減或增加系統(tǒng)交換容量、設(shè)置音頻信號(hào)采樣精度及采樣速率;每路輸入、輸出信號(hào)的音量可以獨(dú)立開展控制;還具有輸入輸出延時(shí)低、信道間隔離度高、音質(zhì)好的特點(diǎn)。 1音頻交換混合矩陣的數(shù)學(xué)模型 1. 1交換系統(tǒng)原理 交換技術(shù)源于電話通信，其基本任務(wù)就是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)各用戶之間信息的端到端的有效傳遞。交換技術(shù)的原理就是通過設(shè)置好的路徑，將源端的數(shù)據(jù)可控地發(fā)往目的端。 對于音頻系統(tǒng)，交換即指將音頻信號(hào)從輸入端經(jīng)過一系列節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到輸出端。 1. 2交換混合矩陣數(shù)學(xué)模型 基于2. 1所述交換技術(shù)原理，可構(gòu)建交換系統(tǒng)的一般數(shù)學(xué)模型。將多輸入輸出的交換系統(tǒng)抽象為一個(gè)矩

3、陣P，其輸入和輸出信號(hào)抽象為兩個(gè)向量( x，y) ，交換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能就是將輸入向量通過矩陣的運(yùn)算轉(zhuǎn)換為輸出向量: 其中pij ，代表輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系。n和m 分別代表輸入和輸出信號(hào)個(gè)數(shù)。當(dāng)n = 1時(shí)，該系統(tǒng)為單輸入系統(tǒng);當(dāng)n 1時(shí)，該系統(tǒng)為多輸入系統(tǒng)。 當(dāng)m = 1時(shí)，該系統(tǒng)為單輸出系統(tǒng);當(dāng)m 1時(shí)，該系統(tǒng)為多輸出系統(tǒng)。 對于一個(gè)音頻交換混合系統(tǒng)， pij即代表了某路輸入與某路輸出的對應(yīng)關(guān)系，以及音量信息。終，單獨(dú)的某路輸出信號(hào)yj 可以表示為: 本方案的技術(shù)，是將多路模擬音頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸入向量，并構(gòu)建數(shù)字交換混合矩陣，通過對矩陣的運(yùn)算得到數(shù)字輸出向量， 并將輸出向量轉(zhuǎn)換為模擬

4、音頻輸出信號(hào)，分配至各輸出端口，終實(shí)現(xiàn)音頻交換混合矩陣。 在此，設(shè)向量A、B 分別為輸入和輸出音量控制向量，矩陣Q 為控制矩陣，則交換矩陣P變換為: 綜上，構(gòu)建起系統(tǒng)的終數(shù)學(xué)模型為: 其中qji = 0， 1。 由式(4)可知，第j路輸出的終結(jié)果yj 為: 2系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概述 2. 1系統(tǒng)信號(hào)流程 根據(jù)式( 4)及式( 5) ， 可構(gòu)建出系統(tǒng)信號(hào)流程圖，如圖1所示。 圖1交換混合矩陣系統(tǒng)信號(hào)流程圖。 ai 和bj 由音量控制芯片來實(shí)現(xiàn)，數(shù)/模及模/數(shù)轉(zhuǎn)換分別由專用芯片來實(shí)現(xiàn)，矩陣Q 和多路加法器由FPGA來實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)交換容量設(shè)定為16 16， 即n = 16， m =16。針對不同系統(tǒng)需求，

5、可擴(kuò)展或縮減交換容量。 2. 2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 由系統(tǒng)信號(hào)流程圖可知，系統(tǒng)總體的硬件模塊由輸入音量控制、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、交換混合矩陣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、輸出音量控制等組成。系統(tǒng)總體硬件模塊框圖如圖2所示。 圖2交換混合矩陣總體硬件模塊構(gòu)造框圖。 輸入音量控制芯片選用PGA4311，其增益調(diào)節(jié)范圍為31. 5 dB - 95. 5 dB。使用SPI總線對其開展控制。 輸入模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用PCM4204，該芯片采用IO接口控制工作模式和參數(shù)。具體設(shè)置方式見文獻(xiàn)。 輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換及音量控制芯片選用PCM1681，工作于從機(jī)方式，使用I2C接口對其開展控制。具體設(shè)置及使用方法見文獻(xiàn)。 通過對模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯

6、片的設(shè)置，可以根據(jù)系統(tǒng)需求調(diào)整數(shù)字音頻信號(hào)的采樣精度及頻率。 本文所述方案實(shí)例的采樣頻率為97. 7 kHz，采樣精度為24 bit，采用左對齊PCM編碼方式傳輸，其傳輸時(shí)序圖如圖3所示。 圖3PCM編碼傳送時(shí)序(左對齊)。 2. 3FPGA及其程序設(shè)計(jì) FPGA內(nèi)部包含串/并轉(zhuǎn)換、交換矩陣、混合、并/串轉(zhuǎn)換、時(shí)鐘模塊和矩陣控制模塊，其內(nèi)部模塊框圖如圖4 所示。FPGA 選用Altera的EP2C35 芯片，其具體參數(shù)見文獻(xiàn)。 2. 3. 1時(shí)鐘模塊 時(shí)鐘模塊的功能是為串/并、并/串轉(zhuǎn)換模塊提供統(tǒng)一的全局時(shí)鐘。系統(tǒng)需要的時(shí)鐘信號(hào)有三種，分別是:系統(tǒng)時(shí)鐘( SCK) 、位時(shí)鐘(BCK)和聲道時(shí)鐘

7、(LRCK) ，各時(shí)鐘頻率由采樣頻率( fS )決定: 圖4FPGA內(nèi)部模塊框圖。 本系統(tǒng)中，采樣頻率fS 為97. 7 kHz，通過一個(gè)50MHz的外部時(shí)鐘信號(hào)分頻產(chǎn)生上述各個(gè)時(shí)鐘。 在模塊內(nèi)建立一個(gè)9 bit累加計(jì)數(shù)器Q，在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿完成一個(gè)遞增計(jì)數(shù)， 當(dāng)數(shù)值計(jì)到滿值111111111時(shí)， 在下一個(gè)時(shí)鐘周期將Q 置0。將XCLK、BCK、LRCK輸出分別連接到計(jì)數(shù)輸出的第0、第2和第8位，并將第3 - 第7位合并成另一個(gè)計(jì)數(shù)輸出S_Count，用于控制串- 并和并- 串轉(zhuǎn)換的位計(jì)數(shù)。所以，實(shí)際生成的fSCK為25 MHz， fBCK為6. 25MHz， fLRCK和fS 為97. 7

8、 kHz。 2. 3. 2輸入串/并轉(zhuǎn)換模塊 該模塊負(fù)責(zé)將PCM4204輸入的串行PCM編碼轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，送入交換矩陣模塊開展處理。模塊內(nèi)部建立通過一個(gè)32 bit移位存放器( S_Buf) ，用來存儲(chǔ)串行數(shù)據(jù)，根據(jù)聲道時(shí)鐘(LRCK)的動(dòng)作來控制并行輸出。串/并轉(zhuǎn)換流程如圖5所示。 圖5串/并轉(zhuǎn)換流程圖。 2. 3. 3矩陣控制模塊 該模塊的功能為:接收外部控制單元的命令，控制矩陣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接操作。FPGA保存10個(gè)GP IO作為使能控制端口，定義為表1。 表1矩陣控制端口定義 模塊的輸出是16組16 bit并行數(shù)據(jù)，形成一個(gè)矩陣表。其中，每組數(shù)據(jù)代表輸出端口，該組中的每個(gè)bit代表對應(yīng)的輸入

9、端口，表中的元素代表相應(yīng)的輸入與輸出之間的連接關(guān)系， 0表示斷開， 1表示連接。 使用時(shí)，先選擇需要開展操作的輸入和輸出端口以及操作狀態(tài)，然后向EN輸入高電平，觸發(fā)控制電路開展工作，將選擇的輸入與輸出信號(hào)相連接或斷開。 2. 3. 4混合模塊 該模塊由數(shù)據(jù)緩沖存放器(AdderBuf)和加法器(Adder)兩部分組成。數(shù)據(jù)緩沖存放器讀取控制端口( Sel)的狀態(tài)，然后判斷各個(gè)輸入是否有效，即是否送入到輸出端口。若某輸入端口有效，則將該端口數(shù)據(jù)直接送入加法器;若無效則送出數(shù)據(jù)0。 2. 3. 5交換矩陣模塊 交換矩陣的工作原理是一個(gè)16轉(zhuǎn)256的分配器，將每一路輸入分配為16路，分別送入每一路輸

10、出的混合模塊中。其構(gòu)造如圖6所示。 圖6交換矩陣模塊構(gòu)造圖。 2. 3. 6輸出并/串轉(zhuǎn)換模塊 該模塊負(fù)責(zé)將混合模塊輸出的24 bit并并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PCM1681能夠接收的串行PCM編碼。數(shù)據(jù)傳輸格式與PCM4204相同。模塊內(nèi)部建立一個(gè)24 bit移位存放器，用來產(chǎn)生串行輸出，根據(jù)聲道時(shí)鐘(LRCK)的動(dòng)作判斷讀取并行輸入。并/串轉(zhuǎn)換流程如圖7所示。 圖7并/串轉(zhuǎn)換流程圖。 3系統(tǒng)仿真及實(shí)現(xiàn) 3. 1系統(tǒng)仿真 FPGA總體端口及模塊框圖如圖8所示。 圖8FPGA總體端口及模塊框圖。 由時(shí)鐘輸入端(CLK)輸入50 MHz時(shí)鐘信號(hào);在交換控制端口送入控制信號(hào)，使In_0與Out_0相連， I

11、n_1與Out_1相連， ， In_7與Out_7相連，控制信號(hào)輸入如圖9所示。 圖9控制信號(hào)輸入。 在路串行信號(hào)輸入端( In_0)的左聲道輸入時(shí)序輸入16進(jìn)制串行數(shù)據(jù)000000，在右聲道輸入時(shí)序輸入111111;同理，在In_1的左聲道輸入時(shí)序輸入222222，在右聲道輸入時(shí)序輸入333333; ?在In_7的左聲道輸入時(shí)序輸入EEEEEE，在右聲道輸入時(shí)序輸入FFFFFF。串行數(shù)據(jù)輸入如圖10所示。 圖10串行數(shù)據(jù)輸入。 系統(tǒng)的串行輸出端有相應(yīng)數(shù)據(jù)輸出， Out_0 端左聲道輸出數(shù)據(jù)為000000， 右聲道輸出數(shù)據(jù)為111111，與In_0輸入數(shù)據(jù)一致;Out_1端左聲道輸出數(shù)據(jù)222

12、222，右聲道輸出數(shù)據(jù)333333，與In_1輸入數(shù)據(jù)一致; ?; Out_7 端左聲道輸出數(shù)據(jù)EEEEEE，右聲道輸出數(shù)據(jù)FFFFFF，與In _7 輸入數(shù)據(jù)一致。 串行數(shù)據(jù)輸出如圖11所示。 圖11串行數(shù)據(jù)輸出。 改變控制端口數(shù)據(jù)，使In_1的左聲道輸入(數(shù)據(jù)為222222 ) 與In _ 2 的右聲道輸入(數(shù)據(jù)為555555)與Out_0的左聲道輸出連接。由圖3 - 5可見，Out_0串行數(shù)據(jù)輸出變?yōu)?77777。串行數(shù)據(jù)混合輸出如圖12所示。 由以上仿真結(jié)果可知， FPGA 整體設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)串行數(shù)字音頻信號(hào)的交換與混合，到達(dá)預(yù)期設(shè)計(jì)要求。 圖12串行數(shù)據(jù)混合輸出。 3. 2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 交

13、換混合矩陣實(shí)物照片如圖13所示。 圖13交換混合矩陣實(shí)物照片 實(shí)物測試時(shí)，先將交換混合矩陣接入嵌入式控制系統(tǒng)，利用嵌入式控制系統(tǒng)對其開展控制。采用計(jì)算機(jī)、MP3、便攜式CD 機(jī)、信號(hào)發(fā)生器等播放的音頻信號(hào)作為輸入源，揚(yáng)聲器及耳機(jī)、示波器等作為輸出設(shè)備，測試交換、混合及音量調(diào)節(jié)功能。經(jīng)*測試，輸出音頻信號(hào)無明顯失真。在多路音頻信號(hào)混合輸出時(shí)，仍然可以保證較好的信號(hào)質(zhì)量。輸入輸出延時(shí)的測量波形如圖14所示，約為620s。通過逐點(diǎn)測量得到幅頻特性曲線如圖15所示，通頻帶為20 Hz38. 44 kHz。 圖14輸入輸出延遲測量波形。 圖15幅頻特性曲線。 測試結(jié)果證明，交換混合矩陣能夠正確承受控制系統(tǒng)的命令，完成音頻信號(hào)的交換、混合及音量調(diào)節(jié)功能。 4結(jié)論 本文針對音頻交換系統(tǒng)應(yīng)用需求，提