音頻交換混合矩陣" title="音頻交換混合矩陣">音頻交換混合矩陣是各種會議,、演播、指揮系統(tǒng)的核心設(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)音頻信號的控制與調(diào)度,。

　　傳統(tǒng)的音頻矩陣通常基于模擬開關(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)及信號混合功能，需要配合調(diào)音臺,、信號混合器設(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)原理為基礎(chǔ),，采用數(shù)字音頻信號采樣及處理技術(shù),，構(gòu)建交換混合矩陣，實(shí)現(xiàn)了16 ×16路音頻信號的交換,、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)置音頻信號采樣精度及采樣速率;每路輸入,、輸出信號的音量可以獨(dú)立進(jìn)行控制;還具有輸入輸出延時低,、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)抽象為一個矩陣P，其輸入和輸出信號抽象為兩個向量( 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 ∈[0， 1 ],，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個數(shù),。當(dāng)n = 1時,，該系統(tǒng)為單輸入系統(tǒng);當(dāng)n > 1時，該系統(tǒng)為多輸入系統(tǒng),。

　　當(dāng)m = 1時,，該系統(tǒng)為單輸出系統(tǒng);當(dāng)m > 1時，該系統(tǒng)為多輸出系統(tǒng),。

　　對于一個音頻交換混合系統(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,。最終,，單獨(dú)的某路輸出信號yj 可以表示為:

　　本方案的核心技術(shù)，是將多路模擬音頻輸入信號轉(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)換為模擬音頻輸出信號,，分配至各輸出端口,，最終實(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)的最終數(shù)學(xué)模型為:

　　其中qji = 0， 1,。

　　由式(4)可知,，第j路輸出的最終結(jié)果yj 為:

　　2　系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概述

　　2. 1　系統(tǒng)信號流程

　　根據(jù)式( 4)及式( 5) ， 可構(gòu)建出系統(tǒng)信號流程圖,，如圖1所示,。

圖1　交換混合矩陣系統(tǒng)信號流程圖。

　　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，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結(jié)構(gòu)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總線對其進(jìn)行控制。

　　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接口對其進(jìn)行控制。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，其傳輸時序圖如圖3所示,。

圖3　PCM編碼傳送時序(左對齊),。

　　2. 3　FPGA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　時鐘模塊

　　時鐘模塊的功能是為串/并,、并/串轉(zhuǎn)換模塊提供統(tǒng)一的全局時鐘,。系統(tǒng)需要的時鐘信號有三種，分別是:系統(tǒng)時鐘( SCK) ,、位時鐘(BCK)和聲道時鐘(LRCK) ,，各時鐘頻率由采樣頻率( fS )決定:

圖4　FPGA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50MHz的外部時鐘信號分頻產(chǎn)生上述各個時鐘。

　　在模塊內(nèi)建立一個9 bit累加計(jì)數(shù)器Q,，在時鐘信號的上升沿完成一個遞增計(jì)數(shù),， 當(dāng)數(shù)值計(jì)到滿值111111111時， 在下一個時鐘周期將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 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),，送入交換矩陣模塊進(jìn)行處理,。模塊內(nèi)部建立通過一個32 bit移位寄存器( S_Buf) ，用來存儲串行數(shù)據(jù),，根據(jù)聲道時鐘(LRCK)的動作來控制并行輸出,。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保留10個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)，形成一個矩陣表,。其中,，每組數(shù)據(jù)代表輸出端口，該組中的每個bit代表對應(yīng)的輸入端口,，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,，先選擇需要進(jìn)行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)控制電路進(jìn)行工作,，將選擇的輸入與輸出信號相連接或斷開,。

　　2. 3. 4　混合模塊

　　該模塊由數(shù)據(jù)緩沖寄存器(AdderBuf)和加法器(Adder)兩部分組成。數(shù)據(jù)緩沖寄存器讀取控制端口( Sel)的狀態(tài),，然后判斷各個輸入是否有效,，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,，分別送入每一路輸出的混合模塊中,。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　交換矩陣模塊結(jié)構(gòu)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24 bit移位寄存器,，用來產(chǎn)生串行輸出,，根據(jù)聲道時鐘(LRCK)的動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8　FPGA總體端口及模塊框圖,。

　　由時鐘輸入端(CLK)輸入50 MHz時鐘信號;在交換控制端口送入控制信號,，使In_0與Out_0相連， In_1與Out_1相連,， ……,， In_7與Out_7相連，控制信號輸入如圖9所示,。

圖9　控制信號輸入,。

　　在第一路串行信號輸入端( In_0)的左聲道輸入時序輸入16進(jìn)制串行數(shù)據(jù)000000，在右聲道輸入時序輸入111111;同理,，在In_1的左聲道輸入時序輸入222222,，在右聲道輸入時序輸入333333; ?在In_7的左聲道輸入時序輸入EEEEEE，在右聲道輸入時序輸入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)222222，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)字音頻信號的交換與混合,，達(dá)到預(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，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)對其進(jìn)行控制,。采用計(jì)算機(jī)、MP3,、便攜式CD 機(jī),、信號發(fā)生器等播放的音頻信號作為輸入源，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,，輸出音頻信號無明顯失真。在多路音頻信號混合輸出時,，仍然可以保證較好的信號質(zhì)量,。輸入輸出延時的測量波形如圖14所示，約為620μs,。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 Hz～38. 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接受控制系統(tǒng)的命令，完成音頻信號的交換,、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，提出了一種基于FPGA音頻交換混合矩陣的設(shè)計(jì)方案,，并進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)闡述及仿真,，并完成了實(shí)物制作與測試。

　　本文所述方案采用FPGA作為交換混合矩陣的核心器件,，因此具有較強(qiáng)的通用性,，可根據(jù)實(shí)際需要裁減或增加交換容量、配置音頻信號采樣頻率及采樣精度等特點(diǎn),。

　　經(jīng)仿真及實(shí)物測試,，基于FPGA的音頻交換混合矩陣能夠?qū)崿F(xiàn)音頻信號的交換、混合及音量調(diào)節(jié),，同時具有延時低,、隔離度高、音質(zhì)好的特點(diǎn),，可適用于各種會議,、指揮、通信等場合,。