基于DSP的數(shù)字音頻處理器的設(shè)計(jì)

夏海旻

摘 要：在目前的廣播電視播出節(jié)目中，既包含直播節(jié)目，也包含錄播節(jié)目，其中直播節(jié)目占了相當(dāng)大的比例，而且不同制作單位提供的節(jié)目源的音頻電平大小、響度很難統(tǒng)一，嚴(yán)重影響到后續(xù)傳輸和發(fā)射的正常工作，用戶在收聽的時(shí)候也會出現(xiàn)聲音時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象。因此必須對發(fā)射機(jī)前端的節(jié)目信號進(jìn)行處理，這個(gè)任務(wù)就由音頻處理器來完成。本文提出一種基于DSP的數(shù)字音頻處理器的設(shè)計(jì)方案，可以統(tǒng)一校準(zhǔn)不同信號源信號電平的大小，同時(shí)提升發(fā)射機(jī)的平均調(diào)幅度。

關(guān)鍵詞：數(shù)字音頻處理器；AGC（自動增益控制）

中圖分類號：TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

本設(shè)計(jì)是采用先進(jìn)DSP技術(shù)開發(fā)的數(shù)字音頻處理平臺，可以自動處理各類不同的音頻信號，經(jīng)過處理后的音頻信號峰值電平對稱，有效電平平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)用戶需求的處理結(jié)果，可以提升節(jié)目信號的指標(biāo)，避免終端設(shè)備產(chǎn)生過調(diào)，從而保證了設(shè)備的安全，同時(shí)可以明顯提高播音的效果?？蓮V泛應(yīng)用于各種中、短波調(diào)幅發(fā)射機(jī)系統(tǒng)。其實(shí)現(xiàn)的功能可分為幅度處理、節(jié)目處理和采樣率及精度處理四大方面。

2 數(shù)字音頻處理器的主要功能介紹

音頻處理分為電平處理和能量處理。電平處理的目的是為了使處理后的節(jié)目電平在基本上保持原來動態(tài)范圍的條件下，維持輸出電平恒定（在某一范圍內(nèi)保持）。這種處理常用在調(diào)頻廣播和電視廣播處理中。

電平處理起到自動調(diào)節(jié)電平的作用，但是對節(jié)目的動態(tài)范圍不會產(chǎn)生很大的影響，而能量處理的特點(diǎn)就是可以壓縮信號的動態(tài)范圍，降低峰平比，調(diào)制發(fā)射機(jī)后表現(xiàn)為平均調(diào)幅度的提高，提升發(fā)射的邊帶能量。能量的處理在調(diào)幅廣播中應(yīng)用很廣泛。

（1）自動增益控制（電平處理）

使用自動增益控制（AGC）模塊來均衡輸入音頻信號的總電平（浮動電平），達(dá)到控制節(jié)目信號平均調(diào)幅度的目的。AGC具有一個(gè)噪聲門限比較功能，如果輸入信號沒有達(dá)到門限，AGC將不會動作，這樣可以避免在無信號時(shí)出現(xiàn)噪聲突然增大的情況。AGC可將音頻信號調(diào)整到-26db到+26db的動態(tài)范圍。

（2）安全限幅以及過調(diào)壓縮功能（能量處理）

音頻處理器能夠?qū)?shù)字音頻進(jìn)行幅度檢測，它會對過調(diào)峰值電平進(jìn)行壓縮處理，這樣減緩了過調(diào)峰值電平的動態(tài)范圍，在進(jìn)行限幅，切掉峰值電平超出標(biāo)準(zhǔn)的部分，這樣保證了音頻在最小失真的前提下進(jìn)行限幅（切削）。這樣可以保證發(fā)射機(jī)永遠(yuǎn)不會出現(xiàn)過調(diào)的情況，避免發(fā)生損壞。

3 音頻處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字音頻處理器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由數(shù)據(jù)通路和控制通路組成。其中，數(shù)據(jù)通路兼容模擬和數(shù)字音頻格式，用戶可選擇對模擬輸入或數(shù)字輸入進(jìn)行處理，輸入的音頻信號由DSP做數(shù)字信號處理之后同時(shí)輸出到數(shù)字接口和模擬接口。當(dāng)系統(tǒng)供電突然中斷的意外情況出現(xiàn)后，由繼電器將輸入的模擬或數(shù)字信號直接送到輸出端，保證播音任務(wù)的持續(xù)不中斷。

控制通路以單片機(jī)為核心，通過按鍵選擇液晶顯示屏的菜單進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可以通過上位機(jī)的串口或者網(wǎng)口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，然后由SPI總線將參數(shù)傳送到DSP，控制處理算法的選擇及參數(shù)配置?？撮T狗電路保證系統(tǒng)能夠在有靜電或者電壓不穩(wěn)的情況發(fā)生時(shí)，自行復(fù)位電路。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為DSP和單片機(jī)兩個(gè)芯片的程序編寫，其中DSP為音頻信號處理的主要部件，單片機(jī)用于人機(jī)接口和系統(tǒng)異常復(fù)位控制。本文以DSP程序?yàn)槔鐖D2所示，來說明主要音頻處理算法的應(yīng)用。

音頻處理算法主要包括低通濾波器、高頻預(yù)加重、輸入增益、AGC（自動增益控制）、削波五大部分。

低通濾波器的截止頻率可以根據(jù)需要設(shè)置為5kHz（調(diào)幅短波用）、9kHz（調(diào)幅中波用）或者15kHz（調(diào)頻廣播用），如圖3所示。

高頻預(yù)加重也可以根據(jù)需要設(shè)置為調(diào)幅預(yù)加重，或者國標(biāo)50us的調(diào)頻預(yù)加重。國標(biāo)50us預(yù)加重曲線設(shè)計(jì)如圖4所示；調(diào)幅預(yù)加重可分為5dB、10dB、15dB和20dB可調(diào)曲線，如圖5所示。

AGC曲線結(jié)構(gòu)可以根據(jù)調(diào)幅或調(diào)頻的不同需求，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，權(quán)衡平均調(diào)幅度和動態(tài)范圍兩方面的制約因素，選擇不同的曲線類型和參數(shù)；AGC的靜態(tài)曲線參數(shù)由限幅門限、限幅斜率、壓縮門限、壓縮斜率、向下擴(kuò)展門限及向下擴(kuò)展斜率構(gòu)成，動態(tài)參數(shù)由跟蹤時(shí)間和釋放時(shí)間構(gòu)成。如圖6所示，曲線1和曲線2由不同的參數(shù)組成，并且曲線2的輸入端有10dB的增益，使得音頻信號更多的集中在-30dBFs之上，獲得更大的響度，更高的平均調(diào)幅度。一般來說，曲線1更多的用于調(diào)頻廣播，曲線2更多的用于調(diào)幅廣播。

輸入增益用于調(diào)節(jié)整個(gè)頻段的音頻大小，可以對全頻段音頻信號進(jìn)行放大或縮小；削波是為了防止音頻瞬時(shí)值過大而引發(fā)射機(jī)過調(diào)；末級低通濾波器的截止頻率和前級一致，主要用于帶外噪聲的抑制。

結(jié)論

通過多次試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以有效地抑制瞬時(shí)峰值，防止發(fā)射機(jī)過調(diào)，同時(shí)通過AGC壓縮音頻信號的動態(tài)范圍，使得能量更加集中，達(dá)到提高平均調(diào)幅度的目的。該系統(tǒng)使用DSP編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的處理，可以靈活進(jìn)行模擬數(shù)字音頻的切換，并滿足調(diào)幅調(diào)頻廣播的不同帶寬要求。

參考文獻(xiàn)

[1]許強(qiáng).基于DSP技術(shù)的音頻處理器的設(shè)計(jì)[D].西南交通大學(xué)，2007.