基于AIC23語音接口及AGC方法的實現

摘要：針對語音接口常見的信號幅度動蕩的問題，設計了基于語音編解碼芯片AIC23和數字信號處理器TMS320VC5416的語音接口。研究了基于AIC23內部可變增益放大器的語音信號自動增益控制(ACC)方法，所設計的語音接口電路簡單、音質清晰、音量穩定。
關鍵詞：可變增益放大器；多通道緩沖串口；自動增益控制；數字信號處理器

??? 語音接口包括采集和播放兩項功能，是語音處理系統中最基本、最關鍵的部分。語音采集時，輸入信號幅度動蕩會影響后續處理；語音播放時，輸出信號幅度不穩定會惡化收聽效果。所以，語音AGC(自動增益控制)是語音接口中不可或缺的功能單元。TLV320AIC23(簡稱AIC23)是TI公司生產的集成了A／D，D／A轉換器和可變增益放大器的高性能語音編解碼芯片，是設計語音接口的理想選擇。文中介紹了AIC23的特點和結構，在此基礎上給出語音接口及AGC的實現方法。

1 AIC23介紹
1．1 主要特點
??? (1)集成線輸入可變增益放大器(VGA)，增益范圍-34．5～12 dB，步進1．5 dB；
??? (2)集成線輸出可變增益放大器(VGA)，增益范圍-73～6 dB，步進1 dB；
??? (3)I／O電壓、數據接口與TI公司的54系列DSP兼容。
1．2基本結構和主要接口
??? AIC23的基本結構和主要接口，如圖1所示。模擬語音信號從左、右聲道線輸入管腳或麥克信號輸入管腳輸入，分別經VGA、靜音控制、多路選擇器、A／D轉換器、數字插值濾波器，得到特定采樣率的數字語音信號；數字語音信號依次經過數字濾波器、D／A轉換器、靜音控制和VGA，最后從左、右聲道線輸出管腳輸出；AIC23的工作狀態由系統微處理器通過控制接口設置，控制接口模式為SPI／I2C可選(mode管腳置高為SPI模式，置低為I2C模式)；AIC23與微處理器通過數據接口進行數據交換，數據接口為左判斷／右判斷／I2C／DSP模式可選(由微處理器通過控制接口設置)。TI公司生產的54系列DSP集成了多通道緩沖串口(McBSP)，可與SPI模式的控制接口和DSP模式的數據接口無縫連接。

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1．3控制方法
??? AIC23是一款可編程芯片，內部有11個9位寄存器，可由微處理器通過控制接口進行配置，從而設定芯片的工作模式和狀態。主要寄存器內容，如表1所示。

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2 語音接口設計
2．1 硬件設計
??? 語音接口由TI公司的數字信號處理器TMS320VC5416與AIC23構成，如圖2所示。VC5416有3個多通道緩沖串口(McBSP)，其中McBSP0與AIC23的控制接口相連，負責對AIC23內部寄存器進行配置。McBSPl與AIC23的數據接口相連，完成與AIC23之間的數據交換。模擬語音信號從線輸入管腳輸入，線輸出管腳輸出。

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2．2 接口配置
??? (1)控制接口。
??? 通過置高AIC23的mode管腳將控制接口設為SPI模式。VC54．16的McBSP0設為主動模式，產生位同步信號、幀同步信號，向AIC23發送16 bit單幀，每幀高7位為AIC23中寄存器的地址，低9位為該寄存器的設置值。本設計中對AIC23的配置主要包括：線輸入使能、麥克輸入靜音、數據接口設為DSP(主)模式、字長16 bit、采樣率32 kHz。
??? (2)數據接口。
??? 數據接口的DSP模式是專門用來與TI公司DSP相連接的。VC5416的McBSPl工作在從動模式，位同步信號、幀同步信號由AIC23產生。McBSPI發送、接收的數據傳輸采用單幀模式，其中高16位為左聲道數據，低16位為右聲道數據。

3 語音AGC方法的實現
??? 使放大器的增益隨信號強度的變化而自動調整的控制方法，就是AGC，即自動增益控制。AGC可由硬件或軟件實現，本設計充分利用AIC23內部集成的VGA，采用軟硬結合的方法實現。輸入和輸出AGC的實現方法，如圖3，圖4所示。

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3．1 輸入AGC實現方法
??? 輸入AGC由反饋控制環路實現。檢波模塊對McBSPl接收到的語音信號進行鑒幅，估計出語音信號的平均包絡電平，增益折算模塊將平均包絡電平與目標電平比較，折算出VGA的增益調整量，由積分模塊對增益調整量進行累加，得到VGA的目標增益值，目標增益值經McBSP0、控制接口反饋到VGA和從而實現增益的自動控制。
??? (1)檢波模塊。
??? 檢波模塊采用快充慢放包絡檢波算法，對輸入信號進行低通濾波，得到信號包絡的均值。其表達式為

??? 其中，x(n)為輸人語音信號，y(n)為檢波結果，Mf為充電時間常數，Ms為放電時間常數。根據語音信號包絡起伏較大的特點，充電時間應該在幾百毫秒量級，而放電時間應該在幾秒到十幾秒之間。另外，由于語音字與字，句與句之間有停頓，停頓期間只有噪聲，包絡檢波器應停止工作。實現的方法是設定幅度門限Ln，幅度低于Ln的信號認為是噪聲，只有幅度高于Ln的信號才參與包絡檢波。
??? (2)增益折算模塊。
??? 平均包絡電平y(n)與目標電平Yaim相差的分貝數為△G(n)=20 log(Yaim／y(n))，由于輸入VGA的調整精度為1．5 dB(共31檔)，所以VGA的增益調整量△G0(n)應取與△G(n)最接近且能被1．5整除的數。y(n)與△G0(n)之間的映射關系，如圖5所示，一定范圍內的y(n)與唯一的△G0(n)相對應，例如，若y(n)∈[1．3 Yaim，1．54 Yaim]，則△G0(n)=-3 dB。

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3．2輸出AGC實現方法
??? 輸出AGC由前饋控制算法實現。檢波模塊對語音信號進行鑒幅，估計出語音信號的平均包絡電平，增益折算模塊將平均包絡電平與目標電平比較，折算出VGA的增益調整量，再與VGA的初始增益值相加，得到VGA的目標增益值。目標增益值經McBSP0和控制接口前饋到VGA，從而實現增益的自動控制。
??? 輸出AGC中檢波模塊的實現方法與輸入AGC中檢波模塊完全一致，增益折算方法與輸入AGC中的增益折算方法相似，但由于輸出VGA的調整精度為1 dB(共79檔)，所以輸出VGA的增益調整量△G0(n)應取與△G(n)最接近的整數。

?結束語
??? 在介紹AIC23特點和結構的基礎上，給出了基于AIC23的語音接口設計方法，詳細講解了語音AGC的實現方法。充分利用AIC23接口簡單靈活、輸入和輸出信噪比高、增益可調的特點，使所設計的語音接口電路簡單、音質清晰、音量穩定。