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如何实现音频信号检测的设计案例

2021年10月07日 10:20 次阅读

声音可以用模拟或数字音频信号来表示。模拟音频信号使用电压电平。不同类型的换能器将声音转换为电信号,将电信号转换为声音。音频信号频率范围大约为 20 Hz 至 20,000 Hz。

麦克风和扬声器等源会产生或接收音频信号,但信号也可能是白噪声或单音噪声。这些可能是由电路问题引起的,并且频率在音频范围内。也可能根本没有信号。在检测音频信号时必须考虑这些可能性,以便将噪声和无信号与真实的音频信号(例如人类语音、音乐和自然声音)区分开来。

音频信号检测原理

人耳可以听到大约 20 Hz 到 20,000 Hz 范围内的频率。该范围可以包括单音,例如来自无线电系统的变压器嗡嗡声或白噪声。这并不是说这些声音在音频系统中是可取的。高水平的此类声音会损害听力。人类的语音、音乐和自然声音具有不同的频率,并且不断变化。因此,音频检测器应记录频率变化并根据这些变化选择有用的音频信号。

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图1这是音频信号检测的工作原理。资料来源:Dialog Semiconductor

音频信号检测背后的基本理论如图 1所示。系统设计考虑了三个参考频率:100 Hz、500 Hz 和 3 kHz。对于给定的信号,系统会计算信号频率在一定时间内与参考频率相交的次数。只考虑从低频到高频的交叉;例如,50 Hz 到 150 Hz 将计算为 100 Hz,而 150 Hz 到 50 Hz 则不会。如果信号以最小次数穿过两个参考频率中的任何一个,则该设计将信号视为音频,如表 1 中所指定。

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表 1检测音频信号的最小频率交叉;这些数字可以根据用户需要通过 I 2 C进行调整。来源:Dialog Semiconductor

图 1 中显示了三个示例信号:

三次跨越 3 kHz 的噪声(以黑色显示)。

不跨越任何频率的单音嗡嗡声(以红色显示)。

像语音或音乐一样变化的信号(以绿色显示)。它六次跨越 100 Hz,五次跨越 500 Hz,一次跨越 3 kHz。这条曲线跨越了所有三个参考频率,尽管设备没有检测到 3 kHz,因为它只跨越了一次;必须跨越2次以上才能检测,如表1所示。 设备检测500Hz(跨越5次;2为表1中的最小值)和100Hz(跨越6次;4为表1中的最小值) )。由于它与两个参考信号交叉的次数足够多,因此该信号被检测为音频。

请注意,语音或音乐可能会有停顿。约翰·米尔顿·凯奇 (John Milton Cage Jr.) 有一首著名的作品,名为 4‘33”,在没有任何声音的情况下演奏。自然,该设计无法确定像音频这样长的停顿,尽管检测算法会忽略小于 5 秒的停顿。

最后,设计应该减少听不见的频率——小于 20 Hz 和大于 20 kHz。我们将使用这些原理作为设计音频信号检测器的基础,同时采用 SLG47502 可编程混合信号芯片。

检测装置实现

设计架构

该设备的架构如图 2所示,包含以下构建块:

模拟音频信号的量化。这将连续模拟值映射到双精度值。在这个过程之后需要知道的就是音频信号的频率。

高切滤波器。这会忽略高于 20 kHz 的频率。

低切滤波器。这会忽略低于 25 Hz 的频率。

频率交叉计数器。这根据表1计算一定时间段(测量时间)内信号频率和参考频率——高频、中频、低频——的交叉次数。

音频暂停。这会检测音频暂停并在少于 5 秒时忽略它们。

测量时间。进行计算的给定时间段。

D触发器(DFF)。这会存储测量期间的音频检测并将其输出到 PIN12 (AudioDetect)。

五分钟没有音频信号。这会检测音频信号的五分钟空闲时间,并在 PIN11 (FiveMinutesNoAudioSignal) 上设置高电平。

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图 2设备架构图突出显示了主要构建块。资料来源:Dialog Semiconductor

块配置

模拟部分:音频信号源应连接到 PIN9 (AUDIO_IN-) 和 PIN10 (AUDIO_IN+)。PIN10 (AUDIO_IN+) 是模拟比较器 (ACMP) 的输入。PIN9 (AUDIO_IN-) 是参考电压 (500 mV)。考虑到音频信号为交流信号且IC为单电压供电,设计将输入音频信号偏置500 mV以避免负电压。之后,输入音频信号进入 ACMP0H(图 3)。ACMP0H 量化音频信号,该信号由设计的其余部分处理。

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图 3模拟部分代表音频信号源,包括模拟比较器和参考电压引脚。资料来源:Dialog Semiconductor

高切滤波器:延迟(8 位 CNT7/DLY7 (MF7))用于滤除高于 20 kHz 的频率(图 4)。设计工程师可以通过 I 2 C将 Counter Data 写入 0xA0 《1287:1280》 来调整频率的周期。

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图 4高切滤波器采用延迟滤除高于 20 kHz 的频率。资料来源:Dialog Semiconductor

低切滤波器:图5所示的低切滤波器由两部分组成:

毛刺过滤器。考虑到没有 CNT/DLY 块来过滤随机毛刺的事实,决定使用查找表(3 位 LUT8)、移位寄存器(SHR 13)和 DFF( DFF12)。设计人员可以调整随机脉冲的时间,通过 I 2 C将 Counter Data 写入 0x69 《845:842》 。

低切滤波器由频率检测器 (CNT5/DLY5) 实现,可切断低于 25 Hz 的频率。设计者可以调整频率的切割周期,通过 I 2 C将 Counter Data 写入 0x94 《1191:1184》 。

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图 5低切滤波器包括去毛刺滤波器和频率检测器。资料来源:Dialog Semiconductor

频率交叉计数器:此块由几个部分组成。第一部分是EDGE DET(图6)。它将双电平音频信号转换为一系列短脉冲,从而保存当前音频信号的频率。下一步是检测音频信号的当前频率与参考频率的交叉,如表 2和图 7 所示。

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图 6频率交叉计数器的第一部分将双电平音频信号转换为一系列短脉冲。资料来源:Dialog Semiconductor

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表2频率检测时,可以通过I 2 C更新交叉频率。来源:Dialog Semiconductor

计数与参考频率的频率交叉数由移位寄存器(SHR7、SHR8、SHR9)执行。

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图 7这是如何检测音频信号的当前频率与参考频率的交叉。资料来源:Dialog Semiconductor

音频暂停:音频暂停块是通过频率检测器实现的,如图 8和表 3 中突出显示的。该块检测音频信号的暂停,如果它小于 5 秒,则忽略。音频信号被认为是连续的。如果停顿时间超过 5 秒,则设计会将其检测为根本没有音频信号。

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图 8音频暂停块是用频率检测器实现的。资料来源:Dialog Semiconductor

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表 3音频暂停数据;交叉频率可以通过 I 2 C更新。来源:Dialog Semiconductor

测量时间:该设计计算特定时间的参考频率交叉次数,该时间由计数器控制,如图 9和表 4 中突出显示的那样。如果频率交叉计数器在测量期间未检测到音频信号(包括音频暂停),则设计会将其识别为无信号。

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图 9测量时间块计算特定时间参考频率的交叉次数。资料来源:Dialog Semiconductor

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表 4测量时间数据与参考频率的交叉次数有关。资料来源:Dialog Semiconductor

音频信号存在存储:音频信号存在存储由DFF0进行,如图2所示。信号设置使用P DLY—模式为边沿延迟—和LUT(3位LUT13)。

无音频信号:如果设计在约 5 分钟内未检测到任何音频信号,则它会在 PIN11 上设置高电平(FiveMinutesAudioPause)。这次计数是通过一个 LUT(3 位 LUT3)和一个延迟(CNT6/DLY6)进行的。该时间根据表5设置。

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表5根据该信息进行无音频时间的计数。资料来源:Dialog Semiconductor

典型应用电路

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图 10上图显示了一个典型的应用电路。资料来源:Dialog Semiconductor

硬件测试

通道 1(黄色,顶部)—PIN#10 (AUDIO_IN+)

通道 2(蓝色,底部)—PIN#12(音频检测)

示波器地接PIN9(AUDIO_IN-)

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图 11波形显示了使用唱片播放进行的测试 (a) 和使用 FM 收音机调谐进行的测试 (b)。

音频检测器设计

本文介绍了采用可编程混合信号芯片 SLG47502 的音频检测器的设计。所提出的方法基于音频信号的变化频率。如果输入信号的频率改变了一定次数,则设备将此信号识别为音频。该设计允许音频中的暂停。如果在五分钟内未识别到音频信号,则设备将 PIN11 设置为高电平。如果输入信号的电平相对较低,则此设计无法识别音频。

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