基于DSP的數字音頻處理器的設計

夏海旻

摘 要：在目前的廣播電視播出節目中，既包含直播節目，也包含錄播節目，其中直播節目占了相當大的比例，而且不同制作單位提供的節目源的音頻電平大小、響度很難統一，嚴重影響到后續傳輸和發射的正常工作，用戶在收聽的時候也會出現聲音時大時小的現象。因此必須對發射機前端的節目信號進行處理，這個任務就由音頻處理器來完成。本文提出一種基于DSP的數字音頻處理器的設計方案，可以統一校準不同信號源信號電平的大小，同時提升發射機的平均調幅度。

關鍵詞：數字音頻處理器；AGC（自動增益控制）

中圖分類號：TN912 文獻標識碼：A

1 引言

本設計是采用先進DSP技術開發的數字音頻處理平臺，可以自動處理各類不同的音頻信號，經過處理后的音頻信號峰值電平對稱，有效電平平穩，可以實現用戶需求的處理結果，可以提升節目信號的指標，避免終端設備產生過調，從而保證了設備的安全，同時可以明顯提高播音的效果。可廣泛應用于各種中、短波調幅發射機系統。其實現的功能可分為幅度處理、節目處理和采樣率及精度處理四大方面。

2 數字音頻處理器的主要功能介紹

音頻處理分為電平處理和能量處理。電平處理的目的是為了使處理后的節目電平在基本上保持原來動態范圍的條件下，維持輸出電平恒定（在某一范圍內保持）。這種處理常用在調頻廣播和電視廣播處理中。

電平處理起到自動調節電平的作用，但是對節目的動態范圍不會產生很大的影響，而能量處理的特點就是可以壓縮信號的動態范圍，降低峰平比，調制發射機后表現為平均調幅度的提高，提升發射的邊帶能量。能量的處理在調幅廣播中應用很廣泛。

（1）自動增益控制（電平處理）

使用自動增益控制（AGC）模塊來均衡輸入音頻信號的總電平（浮動電平），達到控制節目信號平均調幅度的目的。AGC具有一個噪聲門限比較功能，如果輸入信號沒有達到門限，AGC將不會動作，這樣可以避免在無信號時出現噪聲突然增大的情況。AGC可將音頻信號調整到-26db到+26db的動態范圍。

（2）安全限幅以及過調壓縮功能（能量處理）

音頻處理器能夠對數字音頻進行幅度檢測，它會對過調峰值電平進行壓縮處理，這樣減緩了過調峰值電平的動態范圍，在進行限幅，切掉峰值電平超出標準的部分，這樣保證了音頻在最小失真的前提下進行限幅（切削）。這樣可以保證發射機永遠不會出現過調的情況，避免發生損壞。

3 音頻處理器系統設計

3.1 硬件設計

數字音頻處理器系統硬件結構如圖1所示，系統由數據通路和控制通路組成。其中，數據通路兼容模擬和數字音頻格式，用戶可選擇對模擬輸入或數字輸入進行處理，輸入的音頻信號由DSP做數字信號處理之后同時輸出到數字接口和模擬接口。當系統供電突然中斷的意外情況出現后，由繼電器將輸入的模擬或數字信號直接送到輸出端，保證播音任務的持續不中斷。

控制通路以單片機為核心，通過按鍵選擇液晶顯示屏的菜單進行參數設置，也可以通過上位機的串口或者網口進行參數設置，然后由SPI總線將參數傳送到DSP，控制處理算法的選擇及參數配置。看門狗電路保證系統能夠在有靜電或者電壓不穩的情況發生時，自行復位電路。

3.2 軟件設計

系統軟件設計分為DSP和單片機兩個芯片的程序編寫，其中DSP為音頻信號處理的主要部件，單片機用于人機接口和系統異常復位控制。本文以DSP程序為例，如圖2所示，來說明主要音頻處理算法的應用。

音頻處理算法主要包括低通濾波器、高頻預加重、輸入增益、AGC（自動增益控制）、削波五大部分。

低通濾波器的截止頻率可以根據需要設置為5kHz（調幅短波用）、9kHz（調幅中波用）或者15kHz（調頻廣播用），如圖3所示。

高頻預加重也可以根據需要設置為調幅預加重，或者國標50us的調頻預加重。國標50us預加重曲線設計如圖4所示；調幅預加重可分為5dB、10dB、15dB和20dB可調曲線，如圖5所示。

AGC曲線結構可以根據調幅或調頻的不同需求，進行相應的調整，權衡平均調幅度和動態范圍兩方面的制約因素，選擇不同的曲線類型和參數；AGC的靜態曲線參數由限幅門限、限幅斜率、壓縮門限、壓縮斜率、向下擴展門限及向下擴展斜率構成，動態參數由跟蹤時間和釋放時間構成。如圖6所示，曲線1和曲線2由不同的參數組成，并且曲線2的輸入端有10dB的增益，使得音頻信號更多的集中在-30dBFs之上，獲得更大的響度，更高的平均調幅度。一般來說，曲線1更多的用于調頻廣播，曲線2更多的用于調幅廣播。

輸入增益用于調節整個頻段的音頻大小，可以對全頻段音頻信號進行放大或縮小；削波是為了防止音頻瞬時值過大而引發射機過調；末級低通濾波器的截止頻率和前級一致，主要用于帶外噪聲的抑制。

結論

通過多次試驗證明，該系統可以有效地抑制瞬時峰值，防止發射機過調，同時通過AGC壓縮音頻信號的動態范圍，使得能量更加集中，達到提高平均調幅度的目的。該系統使用DSP編程實現數字信號的處理，可以靈活進行模擬數字音頻的切換，并滿足調幅調頻廣播的不同帶寬要求。

參考文獻

[1]許強.基于DSP技術的音頻處理器的設計[D].西南交通大學，2007.