CN209250869U

CN209250869U - 一种智能数字音频矩阵

Info

Publication number: CN209250869U
Application number: CN201821589102.1U
Authority: CN
Inventors: 陈霞; 黄帮伟; 倪冬琴
Original assignee: Suzhou Yifeng Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Yifeng Technology Co Ltd
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-08-13
Anticipated expiration: 2028-09-28

Abstract

本实用新型揭示了一种智能数字音频矩阵，包括PC终端、主控制模块、音频处理模块和音频转换模块，PC终端与主控制模块之间通过网络通信连接，音频处理模块由若干个IO处理卡组成，各个IO处理卡与主控制模块之间采用点对点的方式连接，音频处理模块和主控制模块之间通过CPCI接口连接。本实用新型采用IC技术、网络技术、数字信号处理技术等众多优势于一身具有体积小，效率高，速度快，操作方便，稳定性高，可实现网络监控的优点，并且，本实用新型配备有模拟音频接口、数字音频接口和网络音频接口，适用于各种类型的音频信号，此外，使用本实用新型还可对音频信号进行混音、均衡、增益以及压限等处理，使得所输出的音频信号质量更佳。

Description

一种智能数字音频矩阵

技术领域

本实用新型涉及一种智能数字音频矩阵，属于网络及数据通信领域。

背景技术

音频矩阵广泛应用于各类音响扩声系统，如会议系统、专业演出音响系统、公共广播系统等，传统音频矩阵一般采用大规模模拟开关器件做矩阵控制，存在功能简单、性能指标较差、电路复杂的缺点。早期电台电视台的音频传输系统均是通过专用音频线缆，将模拟音频信号集中传输到调音台或者塞孔盘进行信号的切换。这种矩阵的路由切换由许多交叉点电子开关电路组成。在系统调配下，通过控制某一交叉点的通断，对应输入通道与输出通道将被连通或者断开。这种方式交换的音频矩阵体积大，效率低，速度慢，寿命短，功能单一，且不能实现远程监控，稳定性以及信号的质量都不能得到保证，这些缺点使得早期音频矩阵的使用受到了很大的限制。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术存在的上述问题，从而提供一种智能数字音频矩阵，采用多种芯片和模块作为主要架构，具有体积小，效率高，速度快，操作方便，稳定性高，可实现网络监控的优点。

本实用新型的技术解决方案是：一种智能数字音频矩阵，包括PC终端、主控制模块、音频处理模块和音频转换模块，所述PC终端与主控制模块之间通过网络通信连接，所述音频转换模块包括多张音频转换卡，所述主控制模块包括第一音频矩阵主控卡和第二音频矩阵主控卡，第一音频矩阵主控卡和第二音频矩阵主控卡之间通过CPCI接口相连接，所述音频处理模块由若干个IO处理卡组成，各块IO处理卡分别对应一块音频转换卡，各个音频转换卡和所对应的IO处理卡之间通过CPCI接口相连接；所述IO处理卡包括FPGA、DSP、 ARM和电源模块，FPGA通过CPCI接口与第一音频矩阵主控卡和第二音频矩阵主控卡采用点对点的方式相连接，FPGA通过CPCI接口与所属IO处理卡对应的音频转换卡相连接，所述FPGA与DSP之间相连接，FPGA与ARM之间通过SPI通信连接，DSP与ARM之间通过IIC通信连接，DSP与PC终端相连接，且DSP和PC终端均与EEPROM存储器相连接，ARM与PC终端通过RS232通信连接，所述电源模块与FPGA、DSP、ARM和CPCI 接口相连接。

进一步地，上述智能数字音频矩阵，其中：所述音频转换模块还包括网络音频转换模块卡。

进一步地，上述智能数字音频矩阵，其中：所述AES音频转换卡包括四块SRC4382双向音频转换芯片和电源模块，每块SRC4382音频转换芯片对应一路AES音频输入端和输出端，各路AES音频输入端和输出端与相对应的音频转换芯片之间连接有阻抗匹配隔离电路，各块SRC4382双向音频转换芯片以及电源模块均与CPCI接口相连接，所述电源模块通过CPCI接口给SRC4382双向音频转换芯片供电。

进一步地，上述智能数字音频矩阵，其中：所述网络音频转换模块包括数字音频网络处理器、flash存储器、压控震荡电路、第一以太网控制器、第二以太网控制器、第一RJ-45接头和第二RJ-45接头，所述数字音频网络处理器采用CS181012芯片，数字音频网络处理器与CPCI接口相连接，所述数字音频网络处理器与压控震荡电路相连接，所述压控震荡电路与CPCI接口相连接，所述第一以太网控制器和第二以太网控制器均与数字音频网络处理器相连接，第二RJ-45接头与第一以太网控制器相连接，第二RJ-45接头与第一以太网控制器相连接，第一以太网控制器和第二以太网控制器和数字音频网络处理器均与flash存储器相连接。

本法明还公开了一种智能数字音频矩阵的控制方法，包括以下步骤(1)音频转换模块输入的4路IIS信号通过FPGA转换成TDM信号，(2)TDM信号经过DSP进行混音、均衡、增益和压限处理后，经CPCI接口送至主控制模块进行路由切换，同时，本路TDM信号与主控制模块发送过来的TDM信号经FPGA均转换成并行信号，(3)将所得的并行信号和参数传送至DSP进行增益压限处理，而后通过FPGA做VU表和相关系数计算，计算结果送往主控制模块；(4)主控制模块发送的TDM信号转换成并行信号之后，ARM对主控制模块发送的控制指令进行解析和存取，得到相关参数，并将步骤(3)中所得的并行信号和相关参数输送到DSP中进行增益压限处理，(5)将步骤(4)所得的信号再转换成4 路IIS立体声信号送往音频转换模块。

更进一步地，上述智能数字音频矩阵的控制方法，其中：所述步骤(2)中，通过移植图形化编程开发环境Sigma Studio的程序实现DSP进行混音、均衡、增益和压限功能，具体步骤包括：①在Sigma Studio平台上实现所需功能，生成工程文件；②对工程文件进行编译链接，在工程所在目录下会生成可执行hex文件；③将此hex文件分别通过PC终端烧写入DSP和EEprom；④DSP在上电后会作为IIC总线的主设备，自动从EEprom中读取配置信息至内部相应的寄存器，音频处理程序中各个模块的参数是进行原理图设计时配置的参数，若需要改变各个模块的处理参数，只需通过PC端向ARM内烧写程序，通过ARM的 IIC总线接口实时地更新相应参数寄存器的值；⑤连接好信号网络，绘制好原理图编译。

更进一步地，上述智能数字音频矩阵的控制方法，其中：所述步骤(3)中FPGA进行相关系数运算采用以下公式：

其中，E(X)和E(Y)为两路信号的期望，N取值为512，ρx,y的取值范围为[-1,+1]，取值含义如下：当ρ_x,y＝1时，说明了2路音频信号同相位；当ρ_x,y＝0时，说明了2路音频信号相位正交，完全线性不相关；当ρ_x,y＝-1时，说明了2路音频信号相位差为180°，在空间某点监听可能会消音；当ρ_x,y为其他值时，说明了2路音频信号有相位差，但不为为180°。

本实用新型突出的技术效果主要体现在：本实用新型采用IC技术、网络技术、数字信号处理技术等众多优势于一身，具有体积小，效率高，速度快，操作方便，稳定性高，可实现网络监控的优点，并且，本实用新型配备有模拟音频接口、数字音频接口和网络音频接口，适用于各种类型的音频信号，此外，使用本实用新型还可对音频信号进行混音、均衡、增益以及压限等处理，使得所输出的音频信号质量更佳，成为未来音频矩阵发展的不可逆的潮流。

附图说明

图1是本实用新型智能数字音频矩阵示意图；

图2是IO处理卡架构示意图；

图3是AES音频转换卡架构示意图；

图4是网络音频转换卡架构示意图；

图5是IO处理模块工作流程图。

图中，各附图标记的含义为：1—主控制模块，11—第一音频矩阵主控卡，12—第二音频矩阵主控卡，2—音频处理模块，3—音频转换模块，31—模拟音频转换卡，32—AES音频转换卡，33—网络音频转换卡，331—数字音频网络处理器，332—Flash存储卡，333—压控震荡电路，334—第一以太网控制器，335—第二以太网控制器，336—第一RJ-45接口，337—第二RJ-45接口，4—CPCI接口，5—PC终端。

具体实施方式

以下通过附图结合具体实施方式，对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型智能数字音频矩阵包括PC终端5、主控制模块1、音频处理模块2和音频转换模块3，PC终端5与主控制模块1之间通过网络通信连接，主控制模块包括第一音频矩阵主控卡11和第二音频矩阵主控卡12，第一音频矩阵主控卡11和第二音频矩阵主控卡12之间通过CPCI接口4相连接，音频处理模块2由若干个IO处理卡组成，各个IO处理卡与第一音频矩阵主控卡11之间、各个IO处理卡与第二音频矩阵主控卡12之间采用点对点的方式连接，具体地，可在音频处理模块2和主控制模块1之间设置CPCI接口4，使得音频处理模块2和主控制模块1之间通过CPCI接口连接。音频转换模块3包括模拟音频转换模块卡31、AES音频转换卡32和网络音频转换卡33，各个音频转换卡分别对应一块IO处理卡，各个音频转换卡和所对应的IO处理卡之间通过CPCI接口相连接。各个音频转换3卡均设有4路音频输入通道和4路音频输出通道。

具体地，可设置15张IO处理卡，5张模拟音频转换模块卡31，5张AES音频转换卡 32以及5张网络音频转换卡33。PC终端与主控制模块1之间通过TCP/IP网络通信。

主控制模块需要实现音频矩阵最基本的路由切换功能，而这些个路由切换的参数信息则是来自PC终端的控制软件，因此主控制模块需具备与PC终端通过网络或其他接口进行通信的能力。其次，音频处理模块的信号处理参数等也都是由主控制模块解析客户端端的命令参数后发送过来的。同时，音频处理模块和音频转换模块的状态也需经过主控制模块发送至客户端显示。另外，为了客户端能够对某一路的音频信号进行监听，我们的主控卡模块还要对音频信号进行MP3编码，然后通过网络发送至PC终端。

第一音频矩阵主控卡11和第二音频矩阵主控卡12不仅在硬件结构上完全相同，而且运行的软件程序也一模一样。在数字音频矩阵正常工作时，第一音频矩阵主控卡11和第二音频矩阵主控卡12同时接收1个音频处理模块输入的音频信号和状态信息，同时对客户端软件通过网络发送过来的数据信息进行响应，保存一模一样的处理参数和状态信息。第一音频矩阵主控卡11将客户端的命令处理结果输出时，将第一音频矩阵主控卡11定义为此时的矩阵主卡。第二音频矩阵主控卡12虽然也对客户端的命令进行处理，得到的处理结果也和第一音频矩阵主控卡11完全相同，但是不进行输出，只是作为矩阵主卡的备份，定义为此时的矩阵备卡。矩阵主备两张卡在音频矩阵系统中不是彼此孤立存在的，它们之间通过CPCI 背板连接实现通信。在某一时刻，如果此时的矩阵备卡发现矩阵主卡工作状态发生错误，数字音频矩阵可以立即切换至矩阵备卡工作状态。对于系统而言，由于此前矩阵主备两张控制卡一直处于同一的工作状态，当音频矩阵的交换中心由主卡切换至备卡工作后，工作状态跟音频矩阵主控系统发生故障前所处的工作状态将完全相同。此时备卡被激活，承担主卡的任务，实现主备卡角色的无缝切换，系统对外就像无故障发生一样，继续执行任务，而原来的主卡故障修复后成为现在的备卡，大大提高了数字音频矩阵的稳定性和可靠性。

从远端传输至音频矩阵的信号可能来自卫星接收、电台接收、语音录制机房、录音棚、 ISDN传输或网络传输等，这些信号各自具有自己的频谱特性。为了使经音频矩阵路由切换后传输出去的信号频谱特性更适合播放或传输，需要对信号进行相应的数字信号处理。另外，音频信号可能分别来自歌唱声、独白、乐器声等，这个时候需要对这些音源做混音输出。为了节省音频处理模块与主控制模块的音频传输接口，我们还需要将4路IIS立体声信号转换为TDM信号。同时，音频处理模块还需要管理本模块和相应音频转换模块，实时向主控卡模块报告自己的运行状态。上述工作均由IO处理卡完成。

如图2所示，IO处理卡包括FPGA、DSP、ARM和电源模块，FPGA通过CPCI接口4 与第一音频主控卡11和第二音频主控卡12相连，同时，FPGA通过CPCI接口与所属IO处理卡对应的音频转换卡相连接，FPGA接收主控卡模块控制信号并与主控卡模块之间传递音频信号，同时FPGA接收CPCI接口4信号以及各个音频转换卡ID，FPGA与DSP之间相连接，FPGA将转换卡的IIS信号转换成TDM音频信号，并将TDM音频信号传送给DSP，并将时钟信号传递给DSP，FPGA与ARM之间通过SPI通信连接，DSP与ARM之间通过 IIC通信连接，DSP与PC终端相连接，且DSP和PC终端均与EEPROM存储器相连接， ARM与PC终端通过RS232通信连接。电源模块与FPGA、DSP、ARM和CPCI接口相连接，用于给FPGA、DSP、ARM和CPCI接口供电。具体地，DSP采用ADAU1442芯片， ARM采用LPC2138芯片，FPGA采用XC3S1200E芯片。

ADAU1442芯片支持图形化编程开发环境Sigma Studio。利用Sigma Studio进行程序设计的方便性不仅在于寄存器配置界面的图形化，而且在于其内部提供的丰富强大的算法模块库，使得开发人员不再需要像传统方法一样编写C代码或汇编代码来实现信号处理，只需将设计所需的信号处理模块加入设计工程中，并且将Sigma Studio平台实现的功能移植到MCU上，具体地，本案中用到的算法模块包括DSPMixer混音模块、均衡模块、Limiter压限模块和Gain增益控制模块，使得DSP可实现混音、均衡、压线和增益功能。具体包括以下几个步骤：(1)在Sigma Studio平台上实现所需功能；(2)对工程文件进行编译链接，若无错误，在工程所在目录下会生成可执行hex文件；(3)将此hex文件分别通过PC终端烧写入ADAU1442和EEprom，写入ADAU1442的程序随着板卡的掉电会丢失，而写入 EEprom的信息不会丢失；(4)ADAU1442在上电后会作为IIC总线的主设备，自动从地址为0xA0H的EEprom中读取配置信息至内部相应的寄存器，此时的音频处理程序中各个模块的参数是进行原理图设计时配置的参数，若需要改变各个模块的处理参数，只需通过 PC端向ARM内烧写程序，通过ARM的IIC总线接口实时地更新相应参数寄存器的值即可，(5)然后连接好信号网络，绘制好原理图编译即可。这种新型的设计方法不会影响到设计产品的质量，大大提高了开发成本和效率，缩短了产品的研发周期。

FPGA用于实现IIS信号与TDM信号的转换，向DSP输送时钟信号，且完成VU表运算和相关系数运算。VU表运算属于现有技术，这里不做过多描述。相关系数又称关联系数，是概率论和统计学中的概念，它显示的是两个随机变量之间的线性相关程度。本实用新型需要实时地计算1路IIS立体声中2个音频通道之间的512个采样值的相关系数，用以显示两路音频信号之间的相位关系。其计算公式如下：

ARM用于接收和处理主控卡模块进行通信，向主控板输出和输入控制信号，并且对FPGA和DSP进行相应地控制，使得FPGA和DSP完成相对应的功能运算。

音频传输除了传统的非平衡模拟传输、平衡模拟传输之外还有AES/EBU、MADI、TDIF和SDI等数字接口方式传输以及CobraNet和HiQnet等网络方式传输。数字音频矩阵要对音频信号做路由切换，需要以各种各样的方式接收和发送音频信号。为了降低数字音频矩阵各模块的耦合性，提高可扩展性，在进入切换模块之前，需要对矩阵接口的输入音频信号做统一化处理，即将所有需要进行路由切换的音频信号统一转换为标准的IIS立体声数字音频信号。如此以来，我们在设计音频处理模块和主控制模块时，就不必考虑传输进来和即将传输出去的信号是什么类型，我们只需对标准IIS信号进行设计即可。另外，经过路由切换和音频处理之后的信号可以通过音频转换模块以多种所需的形式传输出去。

模拟音频信号转换卡31可采用AD转换模块和DA转换模块，AD转换模块和DA转换模块为常用的技术，市场上可以直接购买，许多文献中也都有记载，这里不再赘述，

AES音频信号转换卡其架构如图3所示，包括4块SRC4382双向音频转换芯片和电源模块，每块SRC4382音频转换芯片对应一路AES音频输入端和输出端，各路AES音频输入端和输出端与相对应的音频转换芯片之间连接有阻抗匹配隔离电路，各块SRC4382双向音频转换芯片以及电源模块均与CPCI接口相连接，电源模块通过CPCI接口给SRC4382双向音频转换芯片供电。

网络音频转换芯片架构如图4所示，包括数字音频网络处理器331、flash存储器332、压控震荡电路333、第一以太网控制器334、第二以太网控制器335、第一RJ-45接头336和第二RJ-45接头337，数字音频网络处理器331采用CS181012芯片，数字音频网络处理器331与CPCI接口相连接，同时数字音频网络处理器331与压控震荡电路333相连接，压控震荡电路与CPCI接口相连接，压控震荡电路333用于接收数字网络331的时钟信号，并将时钟信号通过CPCI接口输送给IO处理卡，第一以太网控制器334和第二以太网控制器335 均与数字音频网络处理器331相连接，第二RJ-45接头336与第一以太网控制器334相连接，第二RJ-45接头337与第一以太网控制器335相连接，第一以太网控制器334和第二以太网控制器335和数字音频网络处理器331均与flash存储器332相连接。

如图5所示，本实用新型具体工作流程下：(1)音频转换模块输入的4路IIS信号通过FPGA转换成TDM信号，(2)TDM信号经过DSP进行混音、均衡、增益和压限处理后，经CPCI接口送至主控制模块进行路由切换，同时，本路TDM信号与主控制模块发送过来的TDM信号经FPGA均转换成并行信号，(3)将所得的并行信号和参数传送至DSP 进行增益压限处理，而后通过FPGA做VU表和相关系数计算，计算结果送往主控制模块；(4)主控制模块发送的TDM信号转换成并行信号之后，ARM对主控制模块发送的控制指令进行解析和存取，得到相关参数，并将步骤(3)中所得的并行信号和相关参数输送到 DSP中进行增益压限处理；(5)将步骤(4)所得的信号再转换成4路IIS立体声信号送往音频转换模块。

通过以上描述可以看出，本实用新型采用IC技术、网络技术、数字信号处理技术等众多优势于一身，相比于采用大规模模拟开关器件做矩阵控制的传统音频矩阵，具有体积小，效率高，速度快，操作方便，稳定性高，可实现网络监控的优点，并且，本实用新型配备有模拟音频接口、数字音频接口和网络音频接口，适用于各种类型的音频信号，此外，使用本实用新型还可对音频信号进行混音、均衡、增益以及压限等处理，使得所输出的音频信号质量更佳，成为未来音频矩阵发展的不可逆的潮流。

当然，以上只是本实用新型的典型实例，除此之外，本实用新型还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。

Claims

1.一种智能数字音频矩阵，其特征在于：包括PC终端、主控制模块、音频处理模块和音频转换模块，所述PC终端与主控制模块之间通过网络通信连接，所述音频转换模块包括多张音频转换卡，所述主控制模块包括第一音频矩阵主控卡和第二音频矩阵主控卡，第一音频矩阵主控卡和第二音频矩阵主控卡之间通过CPCI接口相连接，所述音频处理模块由若干个IO处理卡组成，各块IO处理卡分别对应一块音频转换卡，各个音频转换卡和所对应的IO处理卡之间通过CPCI接口相连接；所述IO处理卡包括FPGA、DSP、ARM和电源模块，FPGA通过CPCI接口与第一音频矩阵主控卡和第二音频矩阵主控卡采用点对点的方式相连接，FPGA通过CPCI接口与所属IO处理卡对应的音频转换卡相连接，所述FPGA与DSP之间相连接，FPGA与ARM之间通过SPI通信连接，DSP与ARM之间通过IIC通信连接，DSP与PC终端相连接，且DSP和PC终端均与EEPROM存储器相连接，ARM与PC终端通过RS232通信连接，所述电源模块与FPGA、DSP、ARM和CPCI接口相连接。

2.根据权利要求1所述的智能数字音频矩阵，其特征在于：所述音频转换模块包括模拟音频转换模块卡和AES音频转换卡。

3.根据权利要求2所述的智能数字音频矩阵，其特征在于：所述音频转换模块还包括网络音频转换模块卡。

4.根据权利要求2所述的智能数字音频矩阵，其特征在于：所述AES音频转换卡包括四块SRC4382双向音频转换芯片和电源模块，每块SRC4382音频转换芯片对应一路AES音频输入端和输出端，各路AES音频输入端和输出端与相对应的音频转换芯片之间连接有阻抗匹配隔离电路，各块SRC4382双向音频转换芯片以及电源模块均与CPCI接口相连接，所述电源模块通过CPCI接口给SRC4382双向音频转换芯片供电。

5.根据权利要求3所述的智能数字音频矩阵，其特征在于：所述网络音频转换模块包括数字音频网络处理器、flash存储器、压控震荡电路、第一以太网控制器、第二以太网控制器、第一RJ-45接头和第二RJ-45接头，所述数字音频网络处理器采用CS181012芯片，数字音频网络处理器与CPCI接口相连接，所述数字音频网络处理器与压控震荡电路相连接，所述压控震荡电路与CPCI接口相连接，所述第一以太网控制器和第二以太网控制器均与数字音频网络处理器相连接，第二RJ-45接头与第一以太网控制器相连接，第二RJ-45接头与第一以太网控制器相连接，第一以太网控制器和第二以太网控制器和数字音频网络处理器均与flash存储器相连接。