一種多路輸入音頻混合交換方法
2023-12-04 23:43:01 3
專利名稱：一種多路輸入音頻混合交換方法
技術領域：
本發明涉及一種音頻信號的混合處理方法，特別是一種具有良好切換功能的多路 輸入音頻混合交換方法。
背景技術：
目前，音頻交換技術的實現主要基於網絡技術的"無中心交換"。無中心的交換模 式是基於專門的音頻網絡傳輸協議，建立和乙太網類似的數字音頻網絡，實現基於數 據包級的音頻信號的網上實時交換。系統中控制信號和音頻信號同網傳輸，且各部分 獨立運行，無中心設備。無中心交換模式的擴展性強，在大型交換系統中已有使用， 如廣播電臺、電視臺等，但當發生網絡阻塞、丟包率增加等情況時，終端接收到的話 音質量就會明顯下降。並且實現無中心交換所需的設備及算法較複雜，短期內難以大 規模實現。
發明內容
發明目的本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的不足，提供一種多路輸 入音頻混合交換方法，從而解決中、大容量的交換矩陣設計以及信號混合問題。 技術方案本發明公開了一種多路輸入音頻混合交換方法，包括以下步驟 步驟(1)，將信源輸入的多路音頻信號送入輸入音量調節模塊進行輸入音量調節； 步驟(2)，將所述信號送入模-數轉換模塊將模擬音頻信號轉換為數字音頻信號； 步驟(3)，將信號送入音頻信號處理模塊對各路信號進行交換、混合； 步驟(4)，將信號送入數-模轉換模塊將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號； 步驟(5)，將信號送入輸出音量調節模塊進行輸出音量調節； 步驟(6)，將模擬音頻信號輸出到信宿；
其中步驟(3)中，所述對各路信號進行交換、混合包括以下部分
步驟(a)，本發明將輸入、輸出信號抽象為兩個向量X和Y，將輸入與輸出的轉接 關係抽象為交換矩陣M，將輸入信號與輸出信號間的轉接轉換為向量與矩陣之間的運
算
"附1"、V》1 —
"附鵬乂3」
其中^ = ，A + m;2、 + wy3x3 +…+
3同時，本發明為了實現對輸入、輸出音量的獨立控制，引入了另外兩個控制向量A、 B和控制矩陣N，分別對應輸入、輸出音量及交換關係，使交換矩陣M變換為formula see original document page 4其中 =0，1
其中最終的輸出結果^.為A. 二^.("乂.A^ + /2a2x2 +")3a3x3 + + "y. a";c ).
向量A代表輸入信號的音量調節值，其中的元素^代表第i路輸入信號的音量參
數；
向量B代表輸出信號的音量調節值，其中的元素、代表第j路輸出信號的音量參
數；
"'和^由音量控制晶片來實現，其取值範圍由選用的音量控制晶片性能決定。對
於大多數不帶有音量放大功能的音量控制晶片，其範圍為0 1;對於帶有音量放大功能 的晶片，取值為0 G， G為該晶片的最大放大倍數。
矩陣N代表輸入與輸出之間的轉接關係，若 =1，則輸入i交換到輸出j;若 =0。 則輸入j不交換到輸出j;
步驟(b)，若 =1，即該開關導通，輸入i交換到輸出j，將第i路信號數值送入 第j路的加法器的第i個輸入端；
步驟(c)，若 ；0，即該開關斷開，輸入i不交換到輸出j，將第j路加法器的 第i個輸入端置零
步驟(d)，將n個輸入信號中的每一路分配為m路，分別送入m個加法器中； 步驟(e)，加法器將所有輸入埠的數據相加，得出最終混合結果。 本發明中，優選地，所述輸入音量調節模塊為PGA4311音量控制晶片。 本發明中，優選地，所述模-數轉換模塊為PCM4204四通道音頻模數轉換晶片。 本發明中，優選地，所述數模轉換及輸出音量調節模塊為PCM1681八通道音頻數
模轉換晶片，所述數字音頻信號的傳輸格式採用24bit左對齊串行PCM編碼。 本發明中，優選地，所述音頻信號處理模塊為FPGA現場可編程門陣列。
本發明中， 一個多輸入輸出的系統可以抽象為一個矩陣M，其輸入和輸出信號抽象
為兩個向量(x， y)，系統實現的功能就是將輸入向量通過矩陣的運算轉換為輸出向量:formula see original document page 5
對於一個音頻交換混合系統，矩陣M中各元素的值即代表了某路輸入與某路輸出 的對應關係，以及音量信息。
其中的任意 一路輸出乂為=附"A + w,.2x2 +附,.3>\;3 +…+附' ;
本技術方案將多路音頻輸入、輸出信號抽象為向量，將音頻4號的交換與混合轉 換為向量與矩陣的運算；再利用FPGA構建數字電路交換矩陣，實現數字音頻信號的交 換與混合。
有益效果本發明的優點在於1、將模擬音頻信號轉化為數字音頻信號進行處理， 同時實現了信號的交換與混合；2、採用FPGA器件，可以根據實際需求設計交換容量， 利用FPGA器件運行速度快、編程自由度高的特點，可以根據實際需求設計交換容量， 同時能夠實現更大容量的矩陣設計(普通的交換矩陣晶片交換容量一般為8X8，利用 本發明可以輕鬆實現16X 16或者32X32,容量上限視使用的FPGA晶片的邏輯單元數 量而定)；3、採用硬體數字電路交換，同時傳輸延遲統一性高，利於後續信號處理;4、 實現了信號的混合輸出，大部分交換矩陣晶片沒有或者只有部分混合功能，只能實現 一定數量內的信號混合。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做更進一步的具體說明，本發明的上述和/ 或其他方面的優點將會變得更加清楚。
圖1為本發明的信號處理流程圖。
圖2為本發明中模塊連接圖。
圖3為本發明中FPGA內部時鐘模塊工作時序圖。
圖4為本發明中FPGA內部交換矩陣模塊原理圖。
圖5為本發明中混合模塊原理圖。
圖6為本發明中FPGA內信號流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明公開了一種多路輸入音頻混合交換方法，包括以下步驟 步驟(1)，將信源輸入的多路音頻信號送入輸入音量調節模塊進行輸入音量調節; 步驟(2)，將所述信號送入模-數轉換模塊將模擬音頻信號轉換為數字音頻信號； 步驟(3)，將信號送入音頻信號處理模塊對各路信號進行交換、混合； 步驟(4)，將信號送入數-模轉換模塊將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號；步驟(5)，將信號送入輸出音量調節模塊進行輸出音量調節； 步驟(6)，將模擬音頻信號輸出到信宿；
其中步驟(3)中，所述對各路信號進行交換、混合包括以下部分: 步驟(a)，通過矩陣控制交換、混合
》1 -、.V[I A]V
、 1 3_
其中 =0，1
其中最終的輸出結果力為^ = ~ (")!a,A十 2a2X2 +";.3a3;<;3 +." + "; a jc )
向量A代表輸入信號的音量調節值，其中的元素"'代表第i路輸入信號的音量參
數；
向量B代表輸出信號的音量調節值，其中的元素^代表第j路輸出信號的音量參
中/,
數；
《和、由音量控制晶片來實現，其取值範圍由選用的音量控制晶片性能決定。對
於大多數不帶有音量放大功能的音量控制晶片，其範圍為0 1;對於帶有音量放大功能 的晶片，取值為0 G， G為該晶片的最大放大倍數。
矩陣N代表輸入與輸出之間的轉接關係，若 =1，則輸入i交換到輸出j;若 =0。 則輸入i不交換到輸出j;
步驟(b),若 =1，即該開關導通，輸入i交換到輸出j，將第i路信號數值送入 第j路的加法器的第i個輸入端；
步驟(c)，若 =0，即該井關斷開，輸入i不交換到輸出j，將第j路加法器的 第i個輸入端置零
步驟(d)，將n個輸入信號中的每一路分配為m路，分別送入m個加法器中； 步驟(e)，加法器將所有輸入埠的數據相加，得出最終混合結果。 本發明中，所述輸入音量調節模塊為PGA4311音量控制晶片。所述模-數轉換模塊 為PCM4204四通道音頻模數轉換晶片。所述數模轉換及輸出音量調節模塊為PCM1681 八通道音頻數模轉換晶片，所述數字音頻信號的傳輸格式採用24bit左對齊串行PCM 編碼。所述音頻信號處理模塊為FPGA現場可編程門陣列。
當然也採用其他器件替代設計中使用的專用集成電路PGA4311、 PCM4204、 PCM1681 實現，例如採用DSP (Digital Signal Processer，數字音頻信號處理器)器件替代 FPGA實現交換矩陣和混合功能。採用其他種類的接口 ，如IIC、 SPI或者MRT代替GPIO與FPGA進行通信，控制轉接操作。
如圖1所示，本發明中系統主要由5大功能模塊組成，分別是音頻信號處理模
塊；模-數轉換模塊(多路，由輸入信號信道數量決定)；數-模轉換模塊(多路，由輸 出信號信道數量決定)；輸入音量調節模塊(可選，多路，由輸入信號信道數量決定)； 輸出音量調節模塊(可選，多路，由輸出信號信道數量決定)。
本發明中，所述FPGA內部包含串/並轉換、交換矩陣、混合、並/串轉換、矩陣控 制和時鐘模塊。各模塊間連接關係如圖2所示。FPGA內部信號流程為串行數字音頻 信號送入FPGA內部以後，首先經由串/並轉換模塊，轉換為並行數字音頻信號，然後 進入交換矩陣模塊，根據設定好的路徑傳送至指定的混合模塊，再經由並/串轉換模塊， 轉換為串行PCM編碼數據送出。
本發明中，所述FPGA內部各模塊的功能簡介如下
(1) 時鐘模塊
時鐘模塊的功能是為串/並、並/串轉換模塊和模-數、數模轉換晶片提供統一的全 局時鐘。採用統一時鐘可以有效地避免各模塊之間產生時間差，影響信號混合效果。
本發明中，模-數和數-模轉換晶片均工作於被動模式(Slave Mode),使用左對齊 (Left Justified) 24bit PCM編碼方式傳輸數字音頻信號，由FPGA提供三個時鐘信 號系統時鐘(SCK)、位時鐘(BCK)和聲道時鐘(LRCK)，其工作時序如圖3所示。
其中，各時鐘頻率由採樣頻率(/s)決定
=力
本發明中，採樣頻率/5為96KHz，聲道頻率/^^為96KHz，位時鐘/3^為 6.144MHz，系統時鐘力CK為24.576MHz。本模塊採用一個50MHz的時鐘信號，通過 分頻生成以上各個時鐘。實際生成的^c《為25MHz， 為6.25MHz， /i/^和/s為 97.7KHz。以上選擇是基於選用的模-數和數-模轉換晶片特性決定的，兼顧音頻信號的 質量以及系統的處理速度，是經過反覆實驗，最終獲得的最佳配合點。
(2) 串/並轉換模塊
串/並轉換模塊負責將PCM4204輸入的串行PCM編碼轉換為並行數據，送入交換 矩陣模塊進行處理。本模塊通過一個移位寄存器來存儲串行數據，根據聲道時鐘 (LRCK)的動作來控制並行輸出。(3) 交換矩陣模塊
以mXn交換矩陣為例，交換矩陣模塊的工作原理是一個m轉mXn的分配器， 將每一路輸入分配為n路，分別送入每一路輸出的混合模塊中。其原理圖如圖4所示。
(4) 混合模塊
該模塊由數據緩衝寄存器和加法器兩部分組成，如圖5所示。輸入緩存讀取控制 埠的狀態，然後判斷各個輸入是否有效，即是否送入到輸出埠。若某輸入埠有 效，則將該埠數據直接送入加法器；若無效則送出數據0。加法器完成16個24bit 二進位數據的加法，當結果大於0xFFFF時輸出0xFFFF，小於OxFFFF時輸出原加法 結果。
(5) 並/串轉換模塊
該模塊負責將混合模塊輸出的24bit並行數據轉化為PCM1681能夠接收的串行 PCM編碼。模塊內部通過一個移位寄存器產生串行輸出，根據聲道時鐘(LRCK)的 動作判斷讀取並行輸入。
(6) 矩陣控制模塊
該模塊的功能為接收外部控制單元的命令，控制矩陣實現轉接操作。 以16X16矩陣為例
FPGA保留10個GPIO作為使能控制埠 ，具體定義見表1: 表h
ENOutputInputK
XX X X XX X X XX
EN (使能信號)lbit，上升沿觸發FPGA讀取控制埠數據；
Output (輸出埠選擇)4bit，選擇0-15號埠；
Input (輸入埠選擇)4bit，選擇0-15號埠；
K (連接狀態選擇)lbit， l表示接通，0表示斷開。
使用時，先選擇需要進行操作的輸入和輸出埠以及操作狀態，然後向EN輸入 高電平，觸發控制電路進行工作，將選擇的輸入與輸出信號相連接或斷開。例如 Output = 0010;選擇0ut—2 Input = 0001;選擇In_l
K = 1;連接
EN = 1;觸發讀取動作，將0ut_2與In_l連接 Output = 0110;選擇0ut一6 Input = 0011;選擇In—3K = 0;斷開
EN = 1;觸發讀取動作，將0ut_6與In_3斷開
模塊內部建立16組16bit寄存器，形成一個矩陣表。其中，每組寄存器代表輸出 埠，該組中的每個bit代表對應的輸入埠，表中的元素代表相應的輸入與輸出之 間的連接關係，0表示斷開，l表示連接。
本發明中，使用音量控制晶片來實現A和化.，使用FPGA來實現矩陣N和多路加 法器，系統信號流程圖如圖6所示。圖中的乘法器使用音量控制晶片來實現，模-數和 數-模轉換由專用晶片來實現，虛線框內的部分都由FPGA來實現，包括並-串轉換、mxn 開關矩陣、加法器和並、串轉換。信號的交換和混合由開關矩陣結合加法器來實現， 其中加法器m個輸入端，l個輸出端，輸出結果為m個輸入的相加和。首先將n個輸 入信號中的每一路分配為m路，分別送入m個加法器中。這樣將n路輸入分配為mxn 路，再由mxn個開關來控制輸入信號的流向。若 =1，即該開關導通，輸入i交換到 輸出j，將第i路信號數值送入第j路的加法器的第i個輸入端；若 =0，即該開關斷 開，輸入i不交換到輸出j，將第j路加法器的第i個輸入端置零。加法器將所有輸入 埠的數據相加，得出最終混合結果。由此完成信號的交換和混合。
本發明提供了一種多路輸入音頻混合交換方法的思路及方法，具體實現該技術方 案的方法和途徑很多，以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術 領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤 飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。本實施例中未明確的各組成部份均 可用現有技術加以實現。
權利要求
1、一種多路輸入音頻混合交換方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟(1)，將信源輸入的多路音頻信號送入輸入音量調節模塊進行輸入音量調節；步驟(2)，將所述信號送入模-數轉換模塊將模擬音頻信號轉換為數字音頻信號；步驟(3)，將信號送入音頻信號處理模塊對各路信號進行交換、混合；步驟(4)，將信號送入數-模轉換模塊將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號；步驟(5)，將信號送入輸出音量調節模塊進行輸出音量調節；步驟(6)，將模擬音頻信號輸出到信宿；其中步驟(3)中，所述對各路信號進行交換、混合包括以下部分步驟(a)，通過矩陣控制信號交換、混合，其中nij＝0，1其中最終的輸出結果yi′為yi＝bi(ni1a1x1+ni2a2x2+ni3a3x3+…+ninanxn)；元素ai代表第i路輸入信號的音量參數；元素bj代表第j路輸出信號的音量參數；步驟(b)，若nij＝1，即該開關導通，輸入i交換到輸出j，將第i路信號數值送入第j路的加法器的第i個輸入端；步驟(c)，若nij＝0，即該開關斷開，輸入i不交換到輸出j，將第j路加法器的第i個輸入端置零步驟(d)，將n個輸入信號中的每一路分配為m路，分別送入m個加法器中；步驟(e)，加法器將所有輸入埠的數據相加，得出最終混合結果。
2、 根據權利要求1所述的一種多路輸入音頻混合交換方法，其特徵在於，所述輸 入音量調節模塊為PGA4311音量控制晶片。
3、 根據權利要求1所述的一種多路輸入音頻混合交換方法，其特徵在於，所述模 -數轉換模塊為PCM4204四通道音頻模數轉換晶片。
4、 根據權利要求1所述的一種多路輸入音頻混合交換方法，其特徵在於，所述數 模轉換及輸出音量調節模塊為PCM1681八通道音頻數模轉換晶片，所述數字音頻信號 的傳輸格式採用24bit左對齊串行PCM編碼。
5、 根據權利要求l所述的一種多路輸入音頻混合交換方法，其特徵在於，所述音 頻信號處理模塊為FPGA現場可編程門陣列。
全文摘要
本發明公開了一種多路輸入音頻混合交換方法，包括以下步驟將信源輸入的多路音頻信號送入輸入音量調節模塊進行輸入音量調節；將所述信號送入模-數轉換模塊將模擬音頻信號轉換為數字音頻信號；將信號送入音頻信號處理模塊對各路信號進行交換、混合；將信號送入數-模轉換模塊將數字音頻信號轉換為模擬音頻信號；將信號送入輸出音量調節模塊進行輸出音量調節；將模擬音頻信號輸出到信宿。本發明的優點在於將模擬音頻信號轉化為數字音頻信號進行處理，同時實現了信號的交換與混合；採用FPGA器件，可以根據實際需求設計交換容量，實現多路音頻信號交換，如16×16、32×32等，容量上限視使用的FPGA晶片的邏輯單元數量而定。
文檔編號H04S7/00GK101546558SQ20091002674
公開日2009年9月30日 申請日期2009年5月5日 優先權日2009年5月5日
發明者揚 劉 申請人:南京萊斯信息技術股份有限公司