如何实现音频信号检测设计案例

下面是小编为大家整理的如何实现音频信号检测设计案例,供大家参考。

　如何实现音频信号检测的设计案例 例

　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。

　 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。

　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。

　 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。

　 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。

　 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 5 所示的低切滤波器由两部分组成：

　去毛刺过滤器。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》 。

　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。

　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

　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。

　 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。

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

　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。

　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

　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。

　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

　 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-）

　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。