CN201450583U - 多路输入音频混合交换装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多路输入音频混合交换装置，包括以下模块：输入音量调节模块，用于调节信源输入的多路音频信号的音量；模-数转换模块，用于对将模拟音频信号转换为数字音频信号；音频信号处理模块，用于对各路信号进行交换、混合；数-模转换模块，同于将数字音频信号转换为模拟音频信号；输出音量调节模块，用于调节输出音量，并将模拟音频信号输出到信宿。本实用新型的优点在于：1、将模拟音频信号转化为数字音频信号进行处理，同时实现了信号的交换与混合；2、采用FPGA器件，可以根据实际需求设计交换容量，实现多路音频信号交换，如16×16、32×32等，容量上限视使用的FPGA芯片的逻辑单元数量而定。

Description

多路输入音频混合交换装置

技术领域

本实用新型涉及一种音频信号的混合处理装置，特别是一种具有良好切换功能的多路输入音频混合交换装置。

背景技术

目前，音频交换技术的实现主要基于网络技术的“无中心交换”。无中心的交换模式是基于专门的音频网络传输协议，建立和以太网类似的数字音频网络，实现基于数据包级的音频信号的网上实时交换。系统中控制信号和音频信号同网传输，且各部分独立运行，无中心设备。无中心交换模式的扩展性强，在大型交换系统中已有使用，如广播电台、电视台等，但当发生网络阻塞、丢包率增加等情况时，终端接收到的话音质量就会明显下降。并且实现无中心交换所需的设备及算法较复杂，短期内难以大规模实现。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多路输入音频混合交换装置，从而解决中、大容量的交换矩阵设计以及信号混合问题。

技术方案：本实用新型公开了一种多路输入音频混合交换装置，包括以下模块：

输入音量调节模块，用于调节信源输入的多路音频信号的音量；

模-数转换模块，用于对将模拟音频信号转换为数字音频信号；

音频信号处理模块，用于对各路信号进行交换、混合；

数-模转换模块，同于将数字音频信号转换为模拟音频信号；

输出音量调节模块，用于调节输出音量，并将模拟音频信号输出到信宿。

所述输入音量调节模块、模-数转换模块、音频信号处理模块、数-模转换模块、输出音量调节模块依次串联。

本实用新型中，优选地，所述输入音量调节模块为PGA4311音量控制芯片。

本实用新型中，优选地，所述模-数转换模块为PCM4204四通道音频模数转换芯片。

本实用新型中，优选地，所述数模转换及输出音量调节模块为PCM1681八通道音频数模转换芯片，所述数字音频信号的传输格式采用24bit左对齐串行PCM编码。

本实用新型中，优选地，所述音频信号处理模块为FPGA现场可编程门阵列。

本技术方案利用FPGA构建数字电路交换矩阵，实现数字音频信号的交换与混合。

有益效果：本实用新型的优点在于：1、将模拟音频信号转化为数字音频信号进行处理，同时实现了信号的交换与混合；2、采用FPGA器件，可以根据实际需求设计交换容量，利用FPGA器件运行速度快、编程自由度高的特点，可以根据实际需求设计交换容量，同时能够实现更大容量的矩阵设计(普通的交换矩阵芯片交换容量一般为8×8，利用本实用新型可以轻松实现16×16或者32×32，容量上限视使用的FPGA芯片的逻辑单元数量而定)；3、采用硬件数字电路交换，同时传输延迟统一性高，利于后续信号处理；4、实现了信号的混合输出，大部分交换矩阵芯片没有或者只有部分混合功能，只能实现一定数量内的信号混合.

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本实用新型的信号处理流程图。

图2为本实用新型中模块连接图。

图3为本实用新型中FPGA内部时钟模块工作时序图。

图4为本实用新型中FPGA内部交换矩阵模块原理图。

图5为本实用新型中混合模块原理图。

图6为本实用新型中FPGA内信号流程图。

具体实施方式：

如图1所示本实用新型公开了一种多路输入音频混合交换装置，包括以下模块：

输入音量调节模块，用于调节信源输入的多路音频信号的音量；

模-数转换模块，用于对将模拟音频信号转换为数字音频信号；

音频信号处理模块，用于对各路信号进行交换、混合；

数-模转换模块，同于将数字音频信号转换为模拟音频信号；

输出音量调节模块，用于调节输出音量，并将模拟音频信号输出到信宿。

所述输入音量调节模块、模-数转换模块、音频信号处理模块、数-模转换模块、输出音量调节模块依次串联在输入的信源以及输出的信宿之间。

所述五大功能模块中：模-数转换模块为多路，由输入信号信道数量决定；数-模转换模块为多路，由输出信号信道数量决定；输入音量调节模块为可选，多路，由输入信号信道数量决定；输出音量调节模块为可选，多路，由输出信号信道数量决定。

本实用新型中，所述输入音量调节模块为PGA4311音量控制芯片。所述模-数转换模块为PCM4204四通道音频模数转换芯片。所述数模转换及输出音量调节模块为PCM1681八通道音频数模转换芯片，所述数字音频信号的传输格式采用24bit左对齐串行PCM编码。所述音频信号处理模块为FPGA现场可编程门阵列。

当然也采用其他器件替代设计中使用的专用集成电路PGA4311、PCM4204、PCM1681实现，例如采用DSP(Digital Signal Processer，数字音频信号处理器)器件替代FPGA实现交换矩阵和混合功能。采用其他种类的接口，如IIC、SPI或者UART代替GPIO与FPGA进行通信，控制转接操作。

本实用新型中，所述FPGA内部包含串/并转换、交换矩阵、混合、并/串转换、矩阵控制和时钟模块。各模块间连接关系如图2所示。FPGA内部信号流程为：串行数字音频信号送入FPGA内部以后，首先经由串/并转换模块，转换为并行数字音频信号，然后进入交换矩阵模块，根据设定好的路径传送至指定的混合模块，再经由并/串转换模块，转换为串行PCM编码数据送出。

本实用新型中，所述FPGA内部各模块的功能简介如下：

1)时钟模块

时钟模块的功能是为串/并、并/串转换模块和模-数、数模转换芯片提供统一的全局时钟。采用统一时钟可以有效地避免各模块之间产生时间差，影响信号混合效果。

本实用新型中，模-数和数-模转换芯片均工作于被动模式(Slave Mode)，使用左对齐(Left Justified)24bit PCM编码方式传输数字音频信号，由FPGA提供三个时钟信号：系统时钟(SCK)、位时钟(BCK)和声道时钟(LRCK)，其工作时序如图3所示。

其中，各时钟频率由采样频率(f_S)决定：

f_LRCK＝f_S；

f_BCK＝64f_S；

f_SCK＝256f_S；

本实用新型中，采样频率f_S为96KHz，声道频率f_LRCK为96KHz，位时钟f_BCK为6.144MHz，系统时钟f_SCK为24.576MHz。本模块采用一个50MHz的时钟信号，通过分频生成以上各个时钟。实际生成的f_SCK为25MHz，f_BCK为6.25MHz，f_LRCK和f_S为97.7KHz。以上选择是基于选用的模-数和数-模转换芯片特性决定的，兼顾音频信号的质量以及系统的处理速度，是经过反复实验，最终获得的最佳配合点。

2)串/并转换模块

串/并转换模块负责将PCM4204输入的串行PCM编码转换为并行数据，送入交换矩阵模块进行处理。本模块通过一个移位寄存器来存储串行数据，根据声道时钟(LRCK)的动作来控制并行输出。

3)交换矩阵模块

以m×n交换矩阵为例，交换矩阵模块的工作原理是一个m转m×n的分配器，将每一路输入分配为n路，分别送入每一路输出的混合模块中。其原理图如图4所示。

4)混合模块

该模块由数据缓冲寄存器和加法器两部分组成，如图5所示。输入缓存读取控制端口的状态，然后判断各个输入是否有效，即是否送入到输出端口。若某输入端口有效，则将该端口数据直接送入加法器；若无效则送出数据0。加法器完成16个24bit二进制数据的加法，当结果大于0xFFFF时输出0xFFFF，小于0xFFFF时输出原加法结果。

5)并/串转换模块

该模块负责将混合模块输出的24bit并行数据转化为PCM1681能够接收的串行PCM编码。模块内部通过一个移位寄存器产生串行输出，根据声道时钟(LRCK)的动作判断读取并行输入。

6)矩阵控制模块

该模块的功能为：接收外部控制单元的命令，控制矩阵实现转接操作。

以16×16矩阵为例：

FPGA保留10个GPIO作为使能控制端口，具体定义见表1：

表1：

EN	Output	Input	K
				X	X  X  X  X	X  X  X  X	X

EN(使能信号)：1bit，上升沿触发FPGA读取控制端口数据；

Output(输出端口选择)：4bit，选择0-15号端口；

Input(输入端口选择)：4bit，选择0-15号端口；

K(连接状态选择)：1bit，1表示接通，0表示断开。

使用时，先选择需要进行操作的输入和输出端口以及操作状态，然后向EN输入高电平，触发控制电路进行工作，将选择的输入与输出信号相连接或断开。例如：

Output＝0010；选择Out_2

Input＝0001；选择In_1

K＝1；连接

EN＝1；触发读取动作，将Out_2与In_1连接

Output＝0110；选择Out_6

Input＝0011；选择In_3

K＝0；断开

EN＝1；触发读取动作，将Out_6与In_3断开

模块内部建立16组16bit寄存器，形成一个矩阵表。其中，每组寄存器代表输出端口，该组中的每个bit代表对应的输入端口，表中的元素代表相应的输入与输出之间的连接关系，0表示断开，1表示连接。

本实用新型中，使用音量控制芯片来实现a_i和b_j，使用FPGA来实现矩阵N和多路加法器，系统信号流程图如图6所示。图中的乘法器使用音量控制芯片来实现，模-数和数-模转换由专用芯片来实现，虚线框内的部分都由FPGA来实现，包括并-串转换、m×n开关矩阵、加法器和并、串转换。信号的交换和混合由开关矩阵结合加法器来实现，其中加法器m个输入端，1个输出端，输出结果为m个输入的相加和。首先将n个输入信号中的每一路分配为m路，分别送入m个加法器中。这样将n路输入分配为m×n路，再由m×n个开关来控制输入信号的流向。若n_ij＝1，即该开关导通，输入i交换到输出j，将第i路信号数值送入第j路的加法器的第i个输入端；若n_ij＝0，即该开关断开，输入i不交换到输出j，将第j路加法器的第i个输入端置零。加法器将所有输入端口的数据相加，得出最终混合结果。由此完成信号的交换和混合。

本实用新型提供了一种多路输入音频混合交换装置的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种多路输入音频混合交换装置，其特征在于，包括以下模块：

输入音量调节模块，用于调节信源输入的多路音频信号的音量；

模-数转换模块，用于对将模拟音频信号转换为数字音频信号；

音频信号处理模块，用于对各路信号进行交换、混合；

数-模转换模块，同于将数字音频信号转换为模拟音频信号；

输出音量调节模块，用于调节输出音量，并将模拟音频信号输出到信宿；

所述音量调节模块、模-数转换模块、音频信号处理模块、数-模转换模块、输出音量调节模块依次串联；

所述音频信号处理模块为FPGA现场可编程门阵列。

2.根据权利要求1所述的多路输入音频混合交换装置，其特征在于，所述输入音量调节模块为PGA4311音量控制芯片。

3.根据权利要求1所述的多路输入音频混合交换装置，其特征在于，所述模-数转换模块为PCM4204四通道音频模数转换芯片。

4.根据权利要求1所述的多路输入音频混合交换装置，其特征在于，所述数模转换及输出音量调节模块为PCM1681八通道音频数模转换芯片，所述数字音频信号的传输格式采用24bit左对齐串行PCM编码。

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