基于PGA2311音頻控制芯片的音頻增益自動控制系統(tǒng)

引言

音頻接收設(shè)備已經(jīng)是日常生活、學(xué)習(xí)、工作中不可缺少的工具，但是在使用過程中由于某些原因，如切換頻道、播放廣告等，信號輸出時會出現(xiàn)音量大小不一的情況，嚴(yán)重影響用戶的收聽效果。產(chǎn)生這種音量相差較大的主要原因是音頻信號輸入的幅度不一致，解決辦法就是進(jìn)行增益控制。

最早的增益控制是模擬電路檢測控制，但模擬電路設(shè)計相對繁瑣，且難以實現(xiàn)較寬范圍的增益控制，因此隨著數(shù)字信號處理器件(DSP)的發(fā)展，采用DSP進(jìn)行增益控制成為主流。起初數(shù)字器件處理的一般方法是大的信號減小增益，小的信號不處理。現(xiàn)在也有對小信號進(jìn)行放大的方法，但由于擔(dān)心在沒有信號輸入的情況下增益調(diào)整太大，會使背景噪聲也加大，因此增益調(diào)整范圍不大，不能達(dá)到理想的控制效果。另外，基本都是對輸入信號進(jìn)行檢測，即前饋控制，對輸出信號不進(jìn)行檢測，這樣在輸人時若增益較大，輸出會被限幅，影響收聽效果。且DSP方案成本相對較高。本方案采用成本低的單片機為處理核心，通過簡單的增益控制算法完成增益自動控制。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示，整個系統(tǒng)以音頻信號的采集處理為核心進(jìn)行設(shè)計。音頻控制芯片PGA2311兩邊的音頻信號輸入和輸出端，經(jīng)放大器TL084電平搬移后送到MSP430F149的A／D口進(jìn)行采樣(對信號輸入／輸出端都進(jìn)行檢測目的是解決在輸入端無信號情況下增益是否調(diào)整的問題，同時避免增益過大導(dǎo)致輸出端限幅發(fā)生)。采樣數(shù)據(jù)由軟件算法處理得到增益值，經(jīng)電平變換器74HC245配置到PGA2311。按鍵和數(shù)碼管完成輸出電平門限范圍的設(shè)置和顯示。

1．1 主控電路

主控芯片MSP430F149是一款16位、48個8位并行I／O口、具有精簡指令集、超低功耗(節(jié)電模式下最低只有0．1μA)的單片機，其尋址空間共64 KB其中RAM為2KB，給系統(tǒng)開發(fā)帶來很大的方便。它內(nèi)置一個12位A／D轉(zhuǎn)換器ADC12、采樣保持器和模擬多路器。ADC12具有高速、通用的特點，能夠?qū)?個外部模擬源和4個內(nèi)部參考電源(包括內(nèi)部溫度傳感器源)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。ADC12還提供多種采樣觸發(fā)方式、轉(zhuǎn)換時鐘周期、轉(zhuǎn)換模式的選擇。

PGA2311是一款雙聲道、可編程增益放大器，與MSP430F149之間通過SPI總線交互，其增益范圍為+31．5～-95．5 dB。

圖1中MSP430F149是3．3 V供電，而PGA231l是±5 V供電的CMOS器件，因此在I／O邏輯電平匹配時需要注意，在驅(qū)動PGA2311時用電平移位器74HC245達(dá)到電平匹配。

1．2 電平搬移電路

由于一般音頻輸出設(shè)備音量大小不一且為交流耦合形式，而MSP430F149的A／D采樣電壓范圍是0～2．5 V，為了使被采樣信號與A／D匹配避免削波失真，需要將輸入信號比例放大(或縮小)，并將中心電壓搬移至1．25 V附近。如圖2所示。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括按鍵顯示、外設(shè)控制、音頻信號處理幾個部分，重點是音頻信號處理的AGC算法。按鍵顯示響應(yīng)用戶設(shè)置輸出音量大小并顯示出來，外設(shè)控制主要是對PGA2311進(jìn)行配置。

2．1 AGC算法

AGC算法核心是通過信號的包絡(luò)信息來判斷信號的動態(tài)范圍是否超過設(shè)置大小，這里需要快速跟蹤包絡(luò)的變化，及時進(jìn)行增益控制。

以往的AGC算法中乘除法運算對CPU資源的占用較大。這里提出的AGC算法比較簡單實用，其流程如圖3所示。具體實現(xiàn)過程：從單片機的A／D口，獲得音頻輸入／輸出信號的電平存入數(shù)組。數(shù)組存儲數(shù)據(jù)達(dá)到門限比較要求，進(jìn)入峰值比較流程。根據(jù)存儲的輸入信號數(shù)據(jù)，采用冒泡排序的算法找出最大幅值，判斷輸入端是否有信號。如果判定沒有音頻信號輸入，則增益不調(diào)整，防止由于輸出信號太小而一直增大增益，噪聲過大，或者一旦出現(xiàn)聲音，由于增益過大而出現(xiàn)短時間輸出聲音太大。輸入端有信號，則對輸出端進(jìn)行檢測，同樣調(diào)用冒泡排序程序找出最大幅值，如發(fā)現(xiàn)輸出信號大小超過設(shè)定門限，則減小增益，反之則增大增益。在減小增益時，步進(jìn)要大些，而在增大增益時步進(jìn)要小些，這樣在增益調(diào)整時輸出的音量使用戶聽覺上不覺得難受。

3 實驗論證

為驗證設(shè)計的正確性進(jìn)行實驗論證。設(shè)定輸出電平范圍，由計算機輸入突變的音頻信號，通過示波器觀察輸出，如圖4所示。

從圖4中方框所標(biāo)示的音量突變區(qū)域，可以看出輸入音量突然增大后，在500 ms內(nèi)就將增益調(diào)低，保持音量輸出在設(shè)定范圍輸出。高音突變低音等實驗由于調(diào)整周期較長，這里就不作圖示整個調(diào)整過程了。

結(jié)語

實驗結(jié)果說明，該設(shè)計增益控制及時、準(zhǔn)確，保持輸出信號電平在設(shè)定范圍穩(wěn)定輸出，且低功耗，實現(xiàn)簡單，可移植性強，可以滿足目前用戶對音頻接收設(shè)備音量輸出的要求。