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如何實現音頻信號檢測的設計案例

2021年10月07日 10:20 次閲讀

聲音可以用模擬或數字音頻信號來表示。模擬音頻信號使用電壓電平。不同類型的換能器將聲音轉換為電信號,將電信號轉換為聲音。音頻信號頻率範圍大約為 20 Hz 至 20,000 Hz。

麥克風和揚聲器等源會產生或接收音頻信號,但信號也可能是白噪聲或單音噪聲。這些可能是由電路問題引起的,並且頻率在音頻範圍內。也可能根本沒有信號。在檢測音頻信號時必須考慮這些可能性,以便將噪聲和無信號與真實的音頻信號(例如人類語音、音樂和自然聲音)區分開來。

音頻信號檢測原理

人耳可以聽到大約 20 Hz 到 20,000 Hz 範圍內的頻率。該範圍可以包括單音,例如來自無線電系統的變壓器嗡嗡聲或白噪聲。這並不是説這些聲音在音頻系統中是可取的。高水平的此類聲音會損害聽力。人類的語音、音樂和自然聲音具有不同的頻率,並且不斷變化。因此,音頻檢測器應記錄頻率變化並根據這些變化選擇有用的音頻信號。

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圖1這是音頻信號檢測的工作原理。資料來源:Dialog Semiconductor

音頻信號檢測背後的基本理論如圖 1所示。系統設計考慮了三個參考頻率:100 Hz、500 Hz 和 3 kHz。對於給定的信號,系統會計算信號頻率在一定時間內與參考頻率相交的次數。只考慮從低頻到高頻的交叉;例如,50 Hz 到 150 Hz 將計算為 100 Hz,而 150 Hz 到 50 Hz 則不會。如果信號以最小次數穿過兩個參考頻率中的任何一個,則該設計將信號視為音頻,如表 1 中所指定。

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表 1檢測音頻信號的最小頻率交叉;這些數字可以根據用户需要通過 I 2 C進行調整。來源:Dialog Semiconductor

圖 1 中顯示了三個示例信號:

三次跨越 3 kHz 的噪聲(以黑色顯示)。

不跨越任何頻率的單音嗡嗡聲(以紅色顯示)。

像語音或音樂一樣變化的信號(以綠色顯示)。它六次跨越 100 Hz,五次跨越 500 Hz,一次跨越 3 kHz。這條曲線跨越了所有三個參考頻率,儘管設備沒有檢測到 3 kHz,因為它只跨越了一次;必須跨越2次以上才能檢測,如表1所示。 設備檢測500Hz(跨越5次;2為表1中的最小值)和100Hz(跨越6次;4為表1中的最小值) )。由於它與兩個參考信號交叉的次數足夠多,因此該信號被檢測為音頻。

請注意,語音或音樂可能會有停頓。約翰·米爾頓·凱奇 (John Milton Cage Jr.) 有一首著名的作品,名為 4‘33”,在沒有任何聲音的情況下演奏。自然,該設計無法確定像音頻這樣長的停頓,儘管檢測算法會忽略小於 5 秒的停頓。

最後,設計應該減少聽不見的頻率——小於 20 Hz 和大於 20 kHz。我們將使用這些原理作為設計音頻信號檢測器的基礎,同時採用 SLG47502 可編程混合信號芯片。

檢測裝置實現

設計架構

該設備的架構如圖 2所示,包含以下構建塊:

模擬音頻信號的量化。這將連續模擬值映射到雙精度值。在這個過程之後需要知道的就是音頻信號的頻率。

高切濾波器。這會忽略高於 20 kHz 的頻率。

低切濾波器。這會忽略低於 25 Hz 的頻率。

頻率交叉計數器。這根據表1計算一定時間段(測量時間)內信號頻率和參考頻率——高頻、中頻、低頻——的交叉次數。

音頻暫停。這會檢測音頻暫停並在少於 5 秒時忽略它們。

測量時間。進行計算的給定時間段。

D觸發器(DFF)。這會存儲測量期間的音頻檢測並將其輸出到 PIN12 (AudioDetect)。

五分鐘沒有音頻信號。這會檢測音頻信號的五分鐘空閒時間,並在 PIN11 (FiveMinutesNoAudioSignal) 上設置高電平。

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圖 2設備架構圖突出顯示了主要構建塊。資料來源:Dialog Semiconductor

塊配置

模擬部分:音頻信號源應連接到 PIN9 (AUDIO_IN-) 和 PIN10 (AUDIO_IN+)。PIN10 (AUDIO_IN+) 是模擬比較器 (ACMP) 的輸入。PIN9 (AUDIO_IN-) 是參考電壓 (500 mV)。考慮到音頻信號為交流信號且IC為單電壓供電,設計將輸入音頻信號偏置500 mV以避免負電壓。之後,輸入音頻信號進入 ACMP0H(圖 3)。ACMP0H 量化音頻信號,該信號由設計的其餘部分處理。

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圖 3模擬部分代表音頻信號源,包括模擬比較器和參考電壓引腳。資料來源:Dialog Semiconductor

高切濾波器:延遲(8 位 CNT7/DLY7 (MF7))用於濾除高於 20 kHz 的頻率(圖 4)。設計工程師可以通過 I 2 C將 Counter Data 寫入 0xA0 《1287:1280》 來調整頻率的週期。

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圖 4高切濾波器採用延遲濾除高於 20 kHz 的頻率。資料來源:Dialog Semiconductor

低切濾波器:圖5所示的低切濾波器由兩部分組成:

毛刺過濾器。考慮到沒有 CNT/DLY 塊來過濾隨機毛刺的事實,決定使用查找表(3 位 LUT8)、移位寄存器(SHR 13)和 DFF( DFF12)。設計人員可以調整隨機脈衝的時間,通過 I 2 C將 Counter Data 寫入 0x69 《845:842》 。

低切濾波器由頻率檢測器 (CNT5/DLY5) 實現,可切斷低於 25 Hz 的頻率。設計者可以調整頻率的切割週期,通過 I 2 C將 Counter Data 寫入 0x94 《1191:1184》 。

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圖 5低切濾波器包括去毛刺濾波器和頻率檢測器。資料來源:Dialog Semiconductor

頻率交叉計數器:此塊由幾個部分組成。第一部分是EDGE DET(圖6)。它將雙電平音頻信號轉換為一系列短脈衝,從而保存當前音頻信號的頻率。下一步是檢測音頻信號的當前頻率與參考頻率的交叉,如表 2和圖 7 所示。

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圖 6頻率交叉計數器的第一部分將雙電平音頻信號轉換為一系列短脈衝。資料來源:Dialog Semiconductor

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表2頻率檢測時,可以通過I 2 C更新交叉頻率。來源:Dialog Semiconductor

計數與參考頻率的頻率交叉數由移位寄存器(SHR7、SHR8、SHR9)執行。

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圖 7這是如何檢測音頻信號的當前頻率與參考頻率的交叉。資料來源:Dialog Semiconductor

音頻暫停:音頻暫停塊是通過頻率檢測器實現的,如圖 8和表 3 中突出顯示的。該塊檢測音頻信號的暫停,如果它小於 5 秒,則忽略。音頻信號被認為是連續的。如果停頓時間超過 5 秒,則設計會將其檢測為根本沒有音頻信號。

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圖 8音頻暫停塊是用頻率檢測器實現的。資料來源:Dialog Semiconductor

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表 3音頻暫停數據;交叉頻率可以通過 I 2 C更新。來源:Dialog Semiconductor

測量時間:該設計計算特定時間的參考頻率交叉次數,該時間由計數器控制,如圖 9和表 4 中突出顯示的那樣。如果頻率交叉計數器在測量期間未檢測到音頻信號(包括音頻暫停),則設計會將其識別為無信號。

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圖 9測量時間塊計算特定時間參考頻率的交叉次數。資料來源:Dialog Semiconductor

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表 4測量時間數據與參考頻率的交叉次數有關。資料來源:Dialog Semiconductor

音頻信號存在存儲:音頻信號存在存儲由DFF0進行,如圖2所示。信號設置使用P DLY—模式為邊沿延遲—和LUT(3位LUT13)。

無音頻信號:如果設計在約 5 分鐘內未檢測到任何音頻信號,則它會在 PIN11 上設置高電平(FiveMinutesAudioPause)。這次計數是通過一個 LUT(3 位 LUT3)和一個延遲(CNT6/DLY6)進行的。該時間根據表5設置。

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表5根據該信息進行無音頻時間的計數。資料來源:Dialog Semiconductor

典型應用電路

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圖 10上圖顯示了一個典型的應用電路。資料來源:Dialog Semiconductor

硬件測試

通道 1(黃色,頂部)—PIN#10 (AUDIO_IN+)

通道 2(藍色,底部)—PIN#12(音頻檢測)

示波器地接PIN9(AUDIO_IN-)

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圖 11波形顯示了使用唱片播放進行的測試 (a) 和使用 FM 收音機調諧進行的測試 (b)。

音頻檢測器設計

本文介紹了採用可編程混合信號芯片 SLG47502 的音頻檢測器的設計。所提出的方法基於音頻信號的變化頻率。如果輸入信號的頻率改變了一定次數,則設備將此信號識別為音頻。該設計允許音頻中的暫停。如果在五分鐘內未識別到音頻信號,則設備將 PIN11 設置為高電平。如果輸入信號的電平相對較低,則此設計無法識別音頻。

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發表於 2021-07-09 16:38 441次閲讀
低通濾波器是什麼,它的作用是什麼

電源濾波器對於音響音質的作用是怎樣的

電源濾波器對音響音質有改善作用嗎? 電源濾波效果,對音質一定會有改善作用的! 不過,對於一個已經設計....
發表於 2021-07-09 16:38 738次閲讀
電源濾波器對於音響音質的作用是怎樣的

什麼是濾波器,它的原理及其作用是什麼

什麼是濾波器?濾波器原理及其作用是什麼? ★濾波器種類繁多,無論什麼樣的濾波器它離不開線圈、鐵芯包括....
發表於 2021-07-09 16:37 4594次閲讀
什麼是濾波器,它的原理及其作用是什麼

詳解濾波器的種類,它的種類都有哪些

.詳解濾波器的種類 信號處理中各種濾波器的種類有什麼區別?自己設計的低通高通帶阻和傳説中的巴特沃茲橢....
發表於 2021-07-09 16:37 352次閲讀
詳解濾波器的種類,它的種類都有哪些

關於濾波器分類的簡單介紹

濾波器分類介紹 按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。 按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶....
發表於 2021-07-09 16:36 113次閲讀
關於濾波器分類的簡單介紹

什麼是濾波器,如何來判斷濾波器的類型

.什麼是濾波器 電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路。濾波器可以對電源線中特定頻率的頻點或該....
發表於 2021-07-09 16:36 427次閲讀
什麼是濾波器,如何來判斷濾波器的類型

零線電流濾波器的作用是什麼

領步(北京)電能質量設備有限公司深耕於電能質量行業十餘載,專為企業單位解決諧波干擾所帶來的用電異常問....
發表於 2021-07-09 09:56 191次閲讀
零線電流濾波器的作用是什麼

三安集成加速打造射頻前端方案一站式代工平台

三安集成取得全球知名手機代工廠商富智康集團的聲表面波(SAW)濾波器訂單,標誌着三安集成濾波器業務在....
發表於 2021-07-07 16:19 3136次閲讀
三安集成加速打造射頻前端方案一站式代工平台

製作共模電感需滿足哪些要求

共模電感(Common mode Choke),也叫共模扼流圈,常用於電腦的開關電源中過濾共模的電磁....
發表於 2021-07-06 11:07 143次閲讀
製作共模電感需滿足哪些要求

高電流共模電感扼流圈電源線用

瞭解共模信號和差分模信號之間的區別是非常重要的,因為我們必須瞭解電路,需要什麼來減少噪聲。如何確定噪....
發表於 2021-07-06 11:01 108次閲讀
高電流共模電感扼流圈電源線用