基于AD1941時分復(fù)用多通道數(shù)字音頻處理模塊設(shè)計

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)中常用的信號處理設(shè)備模塊，其目的是用以實(shí)現(xiàn)對音頻信號實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整、頻率均衡、聲音效果和動態(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法比擬的優(yōu)勢，各種信號處理設(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)用中存在各個模塊的算法復(fù)雜、代碼移植繁瑣、開發(fā)周期長等不方便的地方[1]。而目前專用音頻DSP地出現(xiàn)將使數(shù)字音頻系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作變得更方便高效?，F(xiàn)在已有單片集成電路上集成了多路音頻專用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發(fā)的時間和精力。并且為開發(fā)人員提供了專業(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條信號線組成：

1）MCLK，系統(tǒng)時鐘，其頻率一般是采樣頻率的256倍。

2）LRCK，幀時鐘，每個LRCK可以傳輸8路音頻信號，LRCK的頻率等于采樣頻率。

3）BCLK，位時鐘，即對應(yīng)數(shù)字音頻的每一位數(shù)據(jù)，每一路音頻信號對應(yīng)32個BCLK時鐘。

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)。

其時序結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 TDM-I2S邏輯時序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，低電平信號性能極佳，并且無極限環(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多個雙通道串行數(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

上位機(jī)通過USB轉(zhuǎn)IIC下載線對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流程圖，外部為模塊提供音頻信號的主時鐘MCLK，4路立體聲數(shù)字音頻通過TDM模式傳輸?shù)揭纛l處理模塊，模塊對4路立體聲音頻信號進(jìn)行前級濾波，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IIC控制端口可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)免點(diǎn)擊參數(shù)更新，最后芯片模塊選擇通過TDM模式輸出數(shù)字音頻。

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

3 AD1941硬件電路設(shè)計

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

在程序運(yùn)行時，IIC也可以動態(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)時鐘（MCLK=Fs*256）。圖3為本設(shè)計的外圍電路。

在AD1941的電路中，需要注意以下問題：

1）電源與地的設(shè)計。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管，用來防止外部電源異常時對芯片的損壞。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。本設(shè)計的硬件電路采用冗余的數(shù)字接口。同時兼容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被反射，在信號的源端與傳輸線之間串接一個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

系統(tǒng)軟件使用ADI的音頻處理芯片專用的輔助圖形畫編譯軟件SIGMA STDIO。此軟件支持下載器在線調(diào)試，設(shè)計對八路信號進(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)行時候的動態(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，對于輸入模塊把Serial input設(shè)置成TDM，把Input Serial Port to Sync設(shè)置為LRCLK，把Input配置為以LRCLK為同步信號的TMD輸出模式。對于輸出模塊把Serial Output的Frame Sync Type（幀同步類型）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TDM輸出模式。對于核寄存器把Dsp core的Program Length設(shè)置為1536（48 kHz），并選擇Zero All Registers用于在對芯片啟動前對說有的寄存器清零。

通過以上的設(shè)置整個音頻模塊把模塊配置為對頻率為48 kHz，有效位為 24 bits，同步信號為 LRCLK，輸入輸出為TMD模式的模塊。

4.2 音頻處理模塊編寫

在本設(shè)計下我們要對4路立體聲（8路信號）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USB接口，windows可以探測到USB設(shè)備。打開添加硬件向?qū)Э梢皂樌瓿蒛SB設(shè)備驅(qū)動的安裝。

2）設(shè)置輸入輸出。打開SIGMA STDIO軟件，在（IC1）AD1941的IO選項里面選擇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類型、Gain、Q值、各段EQ的數(shù)值。類似的添加另外3路形成4路立體聲EQ。

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

5）添加壓限。在Dynamic Processor選項，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圖形化操作動態(tài)的調(diào)節(jié)EQ、前后增益、壓限，音頻模塊的參數(shù)，從而動態(tài)調(diào)節(jié)音頻參數(shù)。

圖4是基于SIGMA STUDIO編寫的音頻處理模塊的程序框圖[4]。其8路信號分成以一個立體聲為一個單位的4組立體聲音頻處理單元，每路立體聲分別進(jìn)過前增益、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)計一種基于AD1941芯片以及配套設(shè)計軟件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]?；赑C端的SIGMA STUDIO設(shè)計軟件是通過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[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.