CN101051456A

CN101051456A - 音频相位检测和自动校正设备

Info

Publication number: CN101051456A
Application number: CN 200710073156
Authority: CN
Inventors: 张建平; 范国华
Original assignee: 张建平
Current assignee: Shenzhen Zhijun Data Technology Co., Ltd.
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2027-01-31
Also published as: CN101051456B

Abstract

本发明公开了一种音频相位检测和自动校正设备。它包括音频信号处理主板、音频信号接收/发送单板和用户界面板；音频信号处理主板包括微处理器、与微处理器连接的FLASH、SDRAM1数据存储芯片和可编程逻辑阵列芯片，与可编程逻辑阵列芯片连接的SDRAM2数据存储芯片；微处理器还带有以太网接口、USB接口、UART串口硬件芯片；音频信号接收/发送单板包括立体声多媒体模拟信号解编码芯片，数字音频信号接收芯片数字音频信号发送芯片；用户界面板包括LCD显示器、LED状态指示灯和五位按键。此设备可用于检测和校正数字音频信号和模拟音频信号的相位，以及模拟到数字和数字到模拟的转换，以提高电台和电视台的音频播出质量。

Description

音频相位检测和自动校正设备

技术领域

本发明涉及一种音频设备，特别是一种音频相位检测和自动校正设备。

背景技术

近年来，随着计算机和多媒体技术的发展，越来越多的数字音频技术被应用到电台和电视台的音频节目制作和播出过程中。电台和电视台为提高播出节目的水平，也越来越重视播出节目的音频质量，采用各种最新的技术和设备来提高节目的音频质量。

音频信号是一种正弦波。在正弦波中，相位、幅度和频率是正弦波的三个特征量，是反映正弦波任何时刻状态的物理量。相位差是指两个频率相同的正弦波的相位的差，其范围在0°-180°之间，如果相位差为0°，则两个正弦波叠加后信号幅度相加；如果相位差为180°，则两个正弦波叠加后信号幅度相减，这种情况也称为反相。在立体声或双声道音频信号中，左右两个通道的相位对节目的音频质量有着关键的影响。特别是当左右通道的相位相反时，会导致播出节目的音频产生严重失真甚至音量很小。

在电台和电视台的音频节目制作过程中，造成左右通道相位异常的原因很多，例如，在节目的采集录音时，如果两个麦克风的位置不当，就可能产生相位相加或相减的现象；当麦克风的音频相位相同时，会使两只麦克风的输出相加，导致音量提升而产生回声；当麦克风的音频相位相反时，会使两只麦克风的输出相减，导致输出的音量不足和失真。

由于音频信号是由一系列不同频率的谐波组成，每个谐波都有特定的相位特征，故音频信号的相位的检测比普通正弦信号的相位检测要复杂很多。当前，有一些专业的音频设备虽然可以对音频相位检测和显示，但无法对相位异常的音频进行自动校正和处理。因此只能发现问题而不能解决问题。

发明内容

本实用新型的目的是克服上述现有技术之不足，提供一种既可以检测音频流的相位并能够自动校正相位异常音频信号的设备。

上述目的采用下述的技术方案就可以实现：本技术方案的设备包括一个音频信号处理主板、至少一个音频信号接收/发送单板和一个用户界面板；

其中，音频信号处理主板包括一个微处理器ARM9、一个与微处理器连接的FLASH数据存储芯片及一个SDRAM1数据存储芯片；一个与微处理器连接的可编程逻辑阵列PFGA芯片、一个与可编程逻辑阵列芯片连接的SDRAM2数据存储芯片；微处理器还扩展了以太网接口、USB接口、UART串口和用户界面板的全部驱动端口；

音频信号接收/发送单板包括一个模拟信号解编码芯片、一个数字信号接收芯片、一个数字信号发送芯片和输入、输出接口；

用户界面板包括LCD显示器、LED显示器和一个五位按键，五位按键通过微处理器可以设置各种功能模式，LCD显示器、LED显示所设置的各种功能模式及状态；

数字或模拟音频流由音频信号接收/发送单板的输入接口输入，在音频信号接收/发送单板中进行数字音频信号的调制和解调，并实现格式音频流的编解码，解码成I2S格式数据，送入可编程逻辑阵列芯片的FFT模块单元做快速傅立叶运算，运算结果暂存在SDRAM2数据存储芯片中，微处理器根据运算结果及系统设置参数判断相位的正确与否：若信号正常，微处理器控制发送芯片将重新编码后的数据送出到音频信号接收/发送单板中向外输出；若信号错误，微处理器做反转处理修正，再发送到音频信号接收/发送单板中向外输出。

上述技术方案中的所说的所说的微处理器是ARM9处理器；所说的可编程逻辑阵列芯片是FPGA芯片；所说的模拟信号解编码芯片是一个高性能，高集成的音频多媒体编解码芯片，分辨率24bit，它可以完成音频信号模拟到数字，数字到模拟的转换，采样频率高达；所说的接收芯片是一个单片集成的解码芯片，它可以接收符合IEC60958，S/PDIF，EIAJ，CP1201或者AES3接口标准数字音频格式的信号，通过它的I2C总线控制端口，可以方便的设置工作模式和读取数据；所说的发送芯片也是一个单片集成的编码芯片，它可以发送符合IEC60958，S/PDIF，EIAJ，CP1201或者AES3接口标准数字音频格式的信号，通过它的I2C总线控制端口，可以方便的设置工作模式和读取数据

本发明的有益效果是：

(1)本发明的设备不但可以检测音频流的相位，并且能够自动校正相位异常音频信号的设备，从而保证输出音频信号的相位正常；主要应用在广播电台，电视台数字化安全播出，集音频相位检测，报警，音频相位反相处理等功能为一体的新型数字音频处理设备；

(2)本发明的设备提供两种可选择的音频信号输入接口：数字音频信号输入接口和模拟音频信号输入接口，使两种信号均可以检测和校正；可以用于音频信号(数字/模拟)的接收，应用FFT(快速傅立叶变换)算法完成相位判断，报警，校正；实时发送处理后的信号；ARM9，FPGA等芯片的应用，使得参数设定，模式控制变得及其方便；接收/发送的数字音频信号的格式符合IEC60958，S/PDIF，EIAJ，CP1201或者AES3接口标准数字音频标准；系统集成以太网口、USB或串口，方便系统控制和调试。

(3)本发明的设备的音频信号处理主板中包括可以实现快速傅立叶算法(FFT)的可编程逻辑阵列芯片，使计算速度即检测和校正相位的速度和实时性能极大地提高；

(4)良好的人机界面，可以对控制模式和控制参数方便进行的设定；通过以太网接口，可以随时或定时导出日志信息。

为了使本发明便于理解和更加清晰，下面通过实施例和附图对其做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的结构方框图。

图2是图1更详细的结构方框图。

图3是音频流为模拟信号时的接收处理框图。

图4是图3中的不同信号之功能解释图表。

图5是音频流为数字信号时的接收处理框图。

图6是图5中的不同信号之功能解释图表。

图7是本发明中的相位检测流程图。

图8是音频流为模拟信号时的发送处理框图。

图9是图8中的不同信号之功能解释图表。

图10是音频流为数字信号时的发送处理框图。

图11是图10中的不同信号之功能解释图表。

图12是本发明中的用户界面板可以设置和显示的内容图表。

具体实施方式

参看图1、图2。本实施例的音频相位检测和自动校正设备包括一个音频信号处理主板2；两个音频信号接收/发送单板3和3.1；一个用户界面板1。

其中，音频信号处理主板2包括一个微处理器24、一个与微处理器连接的FLASH数据存储芯片210及一个SDRAM1数据存储芯片29；一个与微处理器连接的可编程逻辑阵列芯片25、一个与可编程逻辑阵列芯片25连接的SDRAM2数据存储芯片26；微处理器24还带有以太网接口21、USB接口22、UART串口硬件芯片23和用户界面板1的全部驱动端口；

音频信号接收/发送单板3和3.1分别包括一个模拟信号解编码芯片31、一个数字信号接收芯片32、一个数字信号发送芯片33和输入、输出接口；模拟信号解编码芯片31的型号采用CS4272、数字信号接收芯片32的型号采用CS8416、数字信号发送芯片33的型号采用CS8406。

模拟信号编解码芯片31是具有24bit分辨率，192kHz采样频率，可直接输出I2S数据格式，编解码一体多媒体的芯片，在系统中既可以作为模拟信号数据接收芯片(A/D)，也可以作为模拟信号数据发送芯片使用(D/A)。芯片有一个串行(I2C总线)数字输出端口，通道数据被集中在缓冲器里面，使读写数据和软件控制很容易。

数字信号接收芯片32，它可以接收并解码8个通道的音频数据根据ICE60958，S/PDIF，EIAJ CP1201标准，或者AES3标准。芯片有一个串行(I2C总线)数字输出端口，通道数据被集中在缓冲器里面，使读写数据和软件控制很容易。低抖动的时钟恢复电子装置从AES3的接收流里面产生一个非常干净的恢复时钟。目标装置包括AV接收器，CD-R，DVD接收器，多媒体喇叭，数字混合调音器，效果处理器，和计算机和自动音频系统。

数字信号发送芯片33是一个音频发送芯片，它根据AES3，IEC60958，S/PDIF，或者EIAJ CP1201标准，将音频数据进行编码后，驱动并输出到电缆上。芯片有一个串行(I2C总线)数字输出端口，通道数据被集中在缓冲器里面，使读写数据和软件控制很容易。它可用于调音台，DVD录音机，个人视频录音机，数字A/V，效果处理器等。

微处理器24是一个ARM9处理器，ARM9处理器拥有200MHz处理能力，100MHz系统总线以及支持Linux、Windows CE和其它嵌入式操作系统。ARM9的32位微处理器结构带有一个5级流水线，可以极低的功耗提供优异的性能。16K指令高速缓存和16K数据高速缓存可为现有的程序和数据提供零等待时间，或者也可被锁定，以确保对关键指令和数据的无延迟存取。另外ARM9具有协处理器。这一协处理器显著提高了ARM9的单/双精度整数及浮点运算能力。当对数字音频和视频格式进行编码、执行工业控制运算以及其它运算密集型计算和数据处理功能时，该协处理器可使ARM9具有高速精确计算能力。内置一个高性能1/10/100Mbps以太网媒体存取控制器(MAC)，以及外部接口，可连接SPI、AC97和I²S音频。该芯片还具有一个运行速度为12Mbps的双端口USB 2.0全速主机接口(OHCI)、两个UART、以及一个模拟电压测量模数(A/D)转换器。工业控制、数字媒体服务器和自动音乐点播机、精简型客户端、机顶盒、POS终端、生物统计安全系统以及GPS装置等设备设计者将从ARM9的集成结构和先进性能中得到扩展和发挥。

可编程逻辑阵列芯片25(FPGA)，具有12060个功能单元(LE)、52个4k的RAM模块、两个PLL、最大的用户I/O管脚数为249个，支持外部储存器，包括SDRAM(133MHz)，本系统主要应用FPGA实现FFT的算法及部分数字信号处理器(DSP)的功能。

用户界面板1包括LCD显示器11、LED显示器12和一个五位按键13。用户界面板1中的五位按键13通过微处理器24可以设置各种功能模式，LCD显示器11、LED显示器12显示所设置的各种功能模式。可以设置和显示的内容如图12所示包括报警处理设置、检测模式设置、输入设置、输出设置、同步设置、系统信息、退出。

音频信号接收/发送单板3和3.1提供了两种可选择的音频信号输入接口：数字音频信号输入接口和模拟音频信号输入接口。数字音频信号输入ICE60958，S/PDIF，EIAJ CP1201标准，或者AES3标准的数字音频信号；模拟音频信号输入接口提供平衡模拟信号输入。使用时可根据应用环境和实际需要选择输入的类型，当选择数字输入时，设备还提供了独立的同步时钟的输入接口。设备提供两种可选择的音频信号输出接口：数字音频信号输出接口和模拟音频信号输出接口，使用时可根据应用环境和实际需要选择输出的类型，当选择数字输出时，设备还提供了独立的同步时钟的输出接口。

模拟信号输入时处理流程是(参看图3、4)：

从模拟信号解编码芯片31的AINA+和AINA-或者AINB+和AINB-管脚读入模拟信号音频流数据4，解码后通过A_SDOUT送入可编程逻辑阵列芯片25作FFT(快速傅立叶变换)，运算结果暂存在可编程逻辑阵列的内部RAM区，微处理器24根据运算结果及系统设置参数判断相位的正确与否，正确时直接发送到系统设置的发送通道。错误时，软件进行反转处理修正，并发送。

数字信号输入时处理流程(参看图5、6)是：

从数字信号接收芯片32的RXP[0...7]和RXN管脚读入数字信号音频流数据4，解码后通过DR_SDOUT送入可编程逻辑阵列芯片25作FFT(快速傅立叶变换)，运算结果暂存在可编程逻辑阵列的内部RAM区，微处理器24根据运算结果及系统设置参数判断相位的正确与否，正确时直接发送到系统设置的发送通道。错误时，软件进行反转处理修正，并发送。

相位检测流程(参看图7)是：

音频信号接收/发送单板3接受来自外部的音频流(数字/模拟)数据为数字信号时，微处理器24通过I2C总线对数字音频接收芯片写入相应控制字，从数字接收芯片的管脚输出I2S格式的数字音频信号到可编程逻辑阵列25；模拟信号时，从模拟音频编解码芯片31输入模拟信号，微处理器24通过I2C总线对模拟音频接收芯片写入相应控制字，芯片输出转化后的数字音频信号(IIS)格式到可编程逻辑阵列25数据缓冲RAM区，可编程逻辑阵列25中的FFT(快速傅立叶算法模块)251对输入的数据进行512个点的FFT运算，并置位运算结果硬件状态位，微处理器24查询运算结果硬件状态位，并根据状态位的状态做相应的处理。微处理器24根据用户的设定值，判断各项参数：当检测到左右声道相位差在反相报警区间之内时，系统进行反相报警，如果相位差在反相处理范围，则转入反相软件处理。如果正常，可编程逻辑阵列25直接发送数据到数字模拟接收发送单板3的相应芯片接口，输出数字信号发送到数字发送芯片33的SDIN，输出模拟信号发送到模拟发送芯片的SDIN，微处理器24通过I2C总线写入相应的控制字，实现了对数据格式完全控制。相位异常时的处理流程是：如果相位差在反相处理范围，微处理器24首先对缓冲区中的一个通道的音频数据进行一次反转软件处理，使其相位与另外一个通道一致，然后再将处理过的音频数据发送到输出模块中。

模拟信号输出时的处理流程(参看图8、9)是：

微处理器24根据系统的设置参数对各通道的数据流(可编程逻辑阵列经过FFT运算)进行判断，正确时，通过SDIN将数字数据送入模拟信号编解码芯片31的SDIN接口，模拟信号编解码芯片31经过编码，通过DA_OUTA+和A_OUTA-或者A_OUTB+和A_OUTB-，送出模拟音频信号出设备；错误时微处理器24进行反相软件处理，再送出。

数字信号输出时处理流程(参看图10)是：

微处理器24根据系统的设置参数对各通道的数据流(可编程逻辑阵列经过FFT运算)进行判断，正确时，通过SDIN将数字数据送入数字信号发送芯片33的SDIN接口，通过数字信号发送芯片33重新编码，符合AES3格式后，经过TXP，TXN，TCBL管脚的配合使用，送出标准的AES3音频格式信号出设备；错误时微处理器24进行反相软件处理，再送出。

数字或模拟音频流4由音频信号接收/发送单板3或3.1的输入接口输入，在音频信号接收/发送单板中进行数字音频信号的调制和解调，并实现格式音频流的编解码，解码成I2S格式数据，送入可编程逻辑阵列芯片25的FFT模块单元做快速傅立叶运算，运算结果暂存在SDRAM2数据存储芯片26中，微处理器24根据运算结果及系统设置参数判断相位的正确与否：若信号正常，微处理器24控制音频信号接收/发送单板3或3.1中向外输出重新编码后的数据；若信号错误，微处理器做软件反转处理，再发送到音频信号接收/发送单板3或3.1中向外输出数字或模拟音频流4。

Claims

1、一种音频相位检测和自动校正设备，其特征是包括一个音频信号处理主板、至少一个音频信号接收/发送单板和一个用户界面板；

其中，音频信号处理主板包括一个微处理器、一个与微处理器连接的FLASH数据存储芯片及一个SDRAM1数据存储芯片；一个与微处理器连接的可编程逻辑阵列芯片、一个与可编程逻辑阵列芯片连接的SDRAM2数据存储芯片；微处理器还扩展了以太网接口、USB接口、UART串口和用户界面等功能模块；

数字或模拟音频流由音频信号接收/发送单板的输入接口输入，在音频信号接收/发送单板中进行数字音频信号的编/解码，编/解码成I2S格式数据，随后送入可编程逻辑阵列芯片(FPGA)的FFT(快速傅立叶运算)模块单元进行FFT(快速傅立叶运算)，运算数据暂存在SDRAM2数据存储芯片中，可编程逻辑阵列芯片(FPGA)根据用户的设置值，运算及判断，并置位相应硬件管脚标志位，微处理器根据查询硬件标志位，决定数据是否要进行校正，若信号正常，微处理器控制发送芯片将重新编码后的数据送出到音频信号接收/发送单板中向外输出；若信号反相，微处理器做反转算法处理修正，再发送到音频信号接收/发送单板中向外输出。

2、根据权利要求1所述的音频相位检测和自动校正设备，其特征是所说的微处理器是ARM9处理器；所说的可编程逻辑阵列芯片是FPGA芯片；所说的模拟信号解编码芯片是一个高性能，高集成的音频多媒体编解码芯片，分辨率24bit，它可以完成音频信号模拟到数字，数字到模拟的转换，采样频率高达192kHz；所说的接收芯片是一个单片集成的解码芯片，它可以接收符合IEC60958，S/PDIF，EIAJ，CP1201或者AES3接口标准数字音频格式的信号，通过它的I2C总线控制端口，可以方便的设置工作模式和读取数据；所说的发送芯片也是一个单片集成的编码芯片，它可以发送符合IEC60958，S/PDIF，EIAJ，CP1201或者AES3接口标准数字音频格式的信号，通过它的I2C总线控制端口，可以方便的设置工作模式和读取数据。

3、根据权利要求1或2所述的音频相位检测和自动校正设备，其特征是所说的模拟信号解编码芯片的型号采用CS4272、数字信号接收芯片的型号采用CS8416、数字信号发送芯片的型号采用CS8406。