基于DSP的数字音频处理器的设计

夏海旻

摘 要：在目前的广播电视播出节目中，既包含直播节目，也包含录播节目，其中直播节目占了相当大的比例，而且不同制作单位提供的节目源的音频电平大小、响度很难统一，严重影响到后续传输和发射的正常工作，用户在收听的时候也会出现声音时大时小的现象。因此必须对发射机前端的节目信号进行处理，这个任务就由音频处理器来完成。本文提出一种基于DSP的数字音频处理器的设计方案，可以统一校准不同信号源信号电平的大小，同时提升发射机的平均调幅度。

关键词：数字音频处理器；AGC（自动增益控制）

中图分类号：TN912 文献标识码：A

1 引言

本设计是采用先进DSP技术开发的数字音频处理平台，可以自动处理各类不同的音频信号，经过处理后的音频信号峰值电平对称，有效电平平稳，可以实现用户需求的处理结果，可以提升节目信号的指标，避免终端设备产生过调，从而保证了设备的安全，同时可以明显提高播音的效果。可广泛应用于各种中、短波调幅发射机系统。其实现的功能可分为幅度处理、节目处理和采样率及精度处理四大方面。

2 数字音频处理器的主要功能介绍

音频处理分为电平处理和能量处理。电平处理的目的是为了使处理后的节目电平在基本上保持原来动态范围的条件下，维持输出电平恒定（在某一范围内保持）。这种处理常用在调频广播和电视广播处理中。

电平处理起到自动调节电平的作用，但是对节目的动态范围不会产生很大的影响，而能量处理的特点就是可以压缩信号的动态范围，降低峰平比，调制发射机后表现为平均调幅度的提高，提升发射的边带能量。能量的处理在调幅广播中应用很广泛。

（1）自动增益控制（电平处理）

使用自动增益控制（AGC）模块来均衡输入音频信号的总电平（浮动电平），达到控制节目信号平均调幅度的目的。AGC具有一个噪声门限比较功能，如果输入信号没有达到门限，AGC将不会动作，这样可以避免在无信号时出现噪声突然增大的情况。AGC可将音频信号调整到-26db到+26db的动态范围。

（2）安全限幅以及过调压缩功能（能量处理）

音频处理器能够对数字音频进行幅度检测，它会对过调峰值电平进行压缩处理，这样减缓了过调峰值电平的动态范围，在进行限幅，切掉峰值电平超出标准的部分，这样保证了音频在最小失真的前提下进行限幅（切削）。这样可以保证发射机永远不会出现过调的情况，避免发生损坏。

3 音频处理器系统设计

3.1 硬件设计

数字音频处理器系统硬件结构如图1所示，系统由数据通路和控制通路组成。其中，数据通路兼容模拟和数字音频格式，用户可选择对模拟输入或数字输入进行处理，输入的音频信号由DSP做数字信号处理之后同时输出到数字接口和模拟接口。当系统供电突然中断的意外情况出现后，由继电器将输入的模拟或数字信号直接送到输出端，保证播音任务的持续不中断。

控制通路以单片机为核心，通过按键选择液晶显示屏的菜单进行参数设置，也可以通过上位机的串口或者网口进行参数设置，然后由SPI总线将参数传送到DSP，控制处理算法的选择及参数配置。看门狗电路保证系统能够在有静电或者电压不稳的情况发生时，自行复位电路。

3.2 软件设计

系统软件设计分为DSP和单片机两个芯片的程序编写，其中DSP为音频信号處理的主要部件，单片机用于人机接口和系统异常复位控制。本文以DSP程序为例，如图2所示，来说明主要音频处理算法的应用。

音频处理算法主要包括低通滤波器、高频预加重、输入增益、AGC（自动增益控制）、削波五大部分。

低通滤波器的截止频率可以根据需要设置为5kHz（调幅短波用）、9kHz（调幅中波用）或者15kHz（调频广播用），如图3所示。

高频预加重也可以根据需要设置为调幅预加重，或者国标50us的调频预加重。国标50us预加重曲线设计如图4所示；调幅预加重可分为5dB、10dB、15dB和20dB可调曲线，如图5所示。

AGC曲线结构可以根据调幅或调频的不同需求，进行相应的调整，权衡平均调幅度和动态范围两方面的制约因素，选择不同的曲线类型和参数；AGC的静态曲线参数由限幅门限、限幅斜率、压缩门限、压缩斜率、向下扩展门限及向下扩展斜率构成，动态参数由跟踪时间和释放时间构成。如图6所示，曲线1和曲线2由不同的参数组成，并且曲线2的输入端有10dB的增益，使得音频信号更多的集中在-30dBFs之上，获得更大的响度，更高的平均调幅度。一般来说，曲线1更多的用于调频广播，曲线2更多的用于调幅广播。

输入增益用于调节整个频段的音频大小，可以对全频段音频信号进行放大或缩小；削波是为了防止音频瞬时值过大而引发射机过调；末级低通滤波器的截止频率和前级一致，主要用于带外噪声的抑制。

结论

通过多次试验证明，该系统可以有效地抑制瞬时峰值，防止发射机过调，同时通过AGC压缩音频信号的动态范围，使得能量更加集中，达到提高平均调幅度的目的。该系统使用DSP编程实现数字信号的处理，可以灵活进行模拟数字音频的切换，并满足调幅调频广播的不同带宽要求。

参考文献

[1]许强.基于DSP技术的音频处理器的设计[D].西南交通大学，2007.