基于FPGA的音频数模混合AGC采集系统.pdf

第 期(总第 期)年 月山西电子技术应用实践收稿日期:作者简介:郭栋梁()男江苏徐州人工程师硕士研究方向:数据采集及处理文章编号:()基于 的音频数模混合 采集系统郭栋梁 张晓荣 李晓飞(山西大众电子信息产业集团有限公司技术研发中心山西 太原)摘 要:针对传统音频采集设备的局限性与单一性以及日趋灵活的音频 设计需求设计并实现了一种基于 的多路音频数模混合 电路系统 该电路系统基于可编程逻辑门阵列、低噪声模拟放大器与高性能模数转换器实现了多路微弱音频信号的采集与灵活的数模混合 采集系统 实验结果表明该多路音频数模混合 采集系统具有响应时间短、收敛速度快、动态范围大、数据可靠稳定等优点总体性能优于传统 关键词:多路音频数模混合中图分类号:文献标识码:(.):.:引言在音频采集系统中受声音传播距离的远近、声源的稳定性以及其他声音干扰等因素的影响接收到的声音信号往往忽大忽小所以衡量一个音频采集系统好坏的重要指标就是是否能够对采集信道进行实时的增益控制一般的模拟 电路由可变增益放大器()、耦合器、检波器、低通滤波器()等元件组成由检波器产生直流电压控制可变增益放大器从而达到对外部信号进行增益控制的目的 目前模拟 技术较为成熟应用广泛对外界变化不敏感、但缺点也很明显就是响应时间长数字 主要是通过 与控制算法实现 系统中所需要的滤波、检波以及比较等工作 当外部的输入信号存在较大的动态范围时响应时间仅取决于算法时间开销以及数字器件的响应时间 然而受限于 器件的限制在输入电平过小时 输出容易出现误码影响 系统性能基于数字增益与模拟增益各自的优缺点本文提出了一种数模混合增益的设计方法首先通过模拟开环结构解决 收敛速度的问题再通过数字闭环结构确保 输出信号的输出精度该设计方法既有模拟增益的稳定性又兼具有数字 响应速度快的优点 系统硬件设计该系统的硬件主要由上位机、网络传输模块、数字增益模块以及模拟增益模块组 年第 期郭栋梁等:基于 的音频数模混合 采集系统成 其系统硬件框图如图 所示图 数模混合 采集系统硬件框图在该系统应用中外部微弱的模拟音频输入信号首先经过低噪声模拟增益模块进行模拟增益之后通过高性能模数转换器 进行模数转换将模拟音频信号转换为串行的 数字信号 对 信号进行解析、检波、滤波后乒乓 缓存数据之后通过网络传输模块将数据发送给上位机上位机将数据解析后显示出来同时进行放大策略的选择通过 控制模拟增益模块与数字增益模块的放大系数达到自动增益控制的目的.模拟增益模块电路设计模拟增益模块电路在系统中完成音频增益的粗调 模拟 由前端放大电路和可变增益后端放大滤波电路组成前端放大电路芯片采用高精度斩波稳零运算放大器 在 内部存在主放大器和校零放大器从而失调电压及其漂移、工模电压、低频噪声对运算放大器的影响降到最小使得 非常适合微弱信号的放大可变 增 益 后 端 放 大 滤 波 电 路 主 要 有 运 放 构成 是一款可编程增益放大器具有低输出噪声、高共模抑制能力、低增益漂移的特性、为数字可控增益引脚通过 编程控制可实现/倍的低噪声可控模拟增益.数字增益模块电路设计模拟增益模块电路在系统中完成音频增益的粗调数字部分采用高性能可变增益模数转换器 来完成 数字增益模块电路设计如图 所示图 数字增益模块电路设计 是一款高性能模数转换器它具有输出噪声低、共模抑制比高、增益漂移低等优点 系统上电工作时 通过 接口配置 的寄存器使得 能够同时完成 路模拟音频信号的模数转换并且它的转换精度为 位采样速率最高为 内置可控数字增益通道通过 写入 的寄存器可实现快速可控的数字增益数字增益的动态范围为.单次增益步长为.音频采集系统控制程序设计音频采集系统控制程序由 完成其主要由系统初始化模块、数据解析模块、数据乒乓缓存控制模块、放大策略控制模块、数据传输控制模块以及外部控制信息响应模块组成 音频采集控制程序框图如图 所示图 音频采集控制程序框图系统初始化模块的功能是完成 个 芯片的寄存器配置、完成 个网络芯片 的寄存器配置、复位程序内部寄存器 数据解析模块的功能是完成多路音频数据串并转换、多路音频数据的 缓存数据乒乓缓存控制模块的功能是将多路缓存 中的数据读出添加每一路数据对应的数据头数据尾并将数据通过乒乓操作的方式写入两片 中去 放大策略控制模块主要负责判断 数据解析模块解析出来的数值通过 算法来进行放大策略的选择从而分别控制模拟增益模块和数字增益模块数据传输控制模块主要负责将 中缓存的数据通过乒乓操作的方式将数据读出通过网络芯片 将数据通过/协议发送出去外部控制信息响应模块主要负责响应外部按键信息以及上位机通过网络芯片发来的控制信息将上述信息解析后下发至各个功能模块 音频采集系统程序工作流程图如图 所示 数模混合音频 控制的实现自动增益控制()即 是根据输入信号的大小而自动调整放大电路的增益以达到稳定的输出 在该系统中采用数模混合 完成音频 的控制 在传统 系统中往往采取单门限来进行幅值的比较进而确定增益倍数 这种情况下由于输入信号可能会在单门限值附近上下震荡引起 系统频繁的切换增益倍数造成系统稳定性差从而影响数据接收的稳定性 在该算法中采取了上下双门限的设定上下门限值之间有一个较为合适的缓冲区区间这就一定程度上避免了系统的震荡提高了系统的稳定性 在该音频采集系统中数模混合 增益计算公式可表示为:.()模拟增益放大倍数 的定义为:.()上述式中为信号经过模拟增益、数字增益后的幅值为输入信号的幅值为上一时间段内(一般取 个点)信号的平均幅值为期望的幅值的下限为期望的幅值的上限为模拟增益放大倍数为数字增益放大倍数图 音频采集系统程序工作流程图数字增益放大倍数 的定义为:山 西 电 子 技 术 年第 期 年第 期郭栋梁等:基于 的音频数模混合 采集系统 .()在该系统进行数模混合 增益控制时模拟输入信号首先经过模拟增益电路进行放大模拟增益倍数的确定如式()所示 然后模拟信号进入 完成模数转换的同时 通过 接口配置 内部寄存器从而控制数字增益放大倍数 数字增益倍数的确定如式()所示 数模混合 控制流程图如图 所示图 数模混合 控制流程图 上位机软件设计该系统的上位机软件采用 作为开发平台完成网络配置、增益模式配置、数据监控、数据记录及数据导出软件在运行时首先与设备内网络芯片完成/协议的握手然后将增益模式、手动放大倍数以及放大校正系数通过网口下发至 中 之后监听网口数据在收到有效数据后将 路音频数据解析并显示在界面上同时将 路音频数据按照采集时间进行命名存储至设备内部的硬盘中去 结论本文基于可编程逻辑门阵列、低噪声模拟放大器与高性能模数转换器实现了多路微弱音频信号的采集与灵活的数模混合 采集系统 该系统能够同时采集 路 级的模拟音频输入使用的数模混合 电路及算法将 路音频信号放大至预期的区间中去之后将数据通过网络发送至上位机将音频数据进行显示与存储 经验证该多路音频数模混合 采集系统具有响应时间短、收敛速度快、动态范围大、数据可靠稳定等优点总体性能优于传统 参考文献 ./:.():.范玉进李鑫儒张建军等.一种基于 的高速采集频谱实现/第三十五届中国(天津)、网络、信息技术、电子、仪器仪表创新学术会议论文集.天津:天津市电子学会、天津市仪器仪表学会:./().:.丁一.基于 的多通道数据采集器设计与实现.绵阳:西南科技大学.王振瑜吴校生叔晟竹.控制 与 的精密信号发生系统研究.仪表技术与传感器():.魏海刚王雷王涛涛.基于 的一种通信设备大动态范围 实现方法.现代导航():./().:.