基于AIC23语音接口及AGC方法的实现
基于aic23语音接口及agc方法的实现
摘要：针对语音接口常见的信号幅度动荡的问题，设计了基于语音编解码芯片aic23和数字信号处理器tms320vc5416的语音接口。研究了基于aic23内部可变增益放大器的语音信号自动增益控制(acc)方法，所设计的语音接口电路简单、音质清晰、音量稳定。
关键词：可变增益放大器；多通道缓冲串口；自动增益控制；数字信号处理器
语音接口包括采集和播放两项功能，是语音处理系统中最基本、最关键的部分。语音采集时，输入信号幅度动荡会影响后续处理；语音播放时，输出信号幅度不稳定会恶化收听效果。所以，语音agc(自动增益控制)是语音接口中不可或缺的功能单元。tlv320aic23(简称aic23)是ti公司生产的集成了a／d，d／a转换器和可变增益放大器的高性能语音编解码芯片，是设计语音接口的理想选择。文中介绍了aic23的特点和结构，在此基础上给出语音接口及agc的实现方法。
1 aic23介绍
1．1 主要特点
(1)集成线输入可变增益放大器(vga)，增益范围-34．5～12 db，步进1．5 db；
(2)集成线输出可变增益放大器(vga)，增益范围-73～6 db，步进1 db；
(3)i／o电压、数据接口与ti公司的54系列dsp兼容。
1．2基本结构和主要接口
aic23的基本结构和主要接口，如图1所示。模拟语音信号从左、右声道线输入管脚或麦克信号输入管脚输入，分别经vga、静音控制、多路选择器、a／d转换器、数字插值滤波器，得到特定采样率的数字语音信号；数字语音信号依次经过数字滤波器、d／a转换器、静音控制和vga，最后从左、右声道线输出管脚输出；aic23的工作状态由系统微处理器通过控制接口设置，控制接口模式为spi／i2c可选(mode管脚置高为spi模式，置低为i2c模式)；aic23与微处理器通过数据接口进行数据交换，数据接口为左判断／右判断／i2c／dsp模式可选(由微处理器通过控制接口设置)。ti公司生产的54系列dsp集成了多通道缓冲串口(mcbsp)，可与spi模式的控制接口和dsp模式的数据接口无缝连接。
1．3控制方法
aic23是一款可编程芯片，内部有11个9位寄存器，可由微处理器通过控制接口进行配置，从而设定芯片的工作模式和状态。主要寄存器内容，如表1所示。
2 语音接口设计
2．1 硬件设计
语音接口由ti公司的数字信号处理器tms320vc5416与aic23构成，如图2所示。vc5416有3个多通道缓冲串口(mcbsp)，其中mcbsp0与aic23的控制接口相连，负责对aic23内部寄存器进行配置。mcbspl与aic23的数据接口相连，完成与aic23之间的数据交换。模拟语音信号从线输入管脚输入，线输出管脚输出。
2．2 接口配置
(1)控制接口。
通过置高aic23的mode管脚将控制接口设为spi模式。vc54．16的mcbsp0设为主动模式，产生位同步信号、帧同步信号，向aic23发送16 bit单帧，每帧高7位为aic23中寄存器的地址，低9位为该寄存器的设置值。本设计中对aic23的配置主要包括：线输入使能、麦克输入静音、数据接口设为dsp(主)模式、字长16 bit、采样率32 khz。
(2)数据接口。
数据接口的dsp模式是专门用来与ti公司dsp相连接的。vc5416的mcbspl工作在从动模式，位同步信号、帧同步信号由aic23产生。mcbspi发送、接收的数据传输采用单帧模式，其中高16位为左声道数据，低16位为右声道数据。
3 语音agc方法的实现
使放大器的增益随信号强度的变化而自动调整的控制方法，就是agc，即自动增益控制。agc可由硬件或软件实现，本设计充分利用aic23内部集成的vga，采用软硬结合的方法实现。输入和输出agc的实现方法，如图3，图4所示。
3．1 输入agc实现方法
输入agc由反馈控制环路实现。检波模块对mcbspl接收到的语音信号进行鉴幅，估计出语音信号的平均包络电平，增益折算模块将平均包络电平与目标电平比较，折算出vga的增益调整量，由积分模块对增益调整量进行累加，得到vga的目标增益值，目标增益值经mcbsp0、控制接口反馈到vga和从而实现增益的自动控制。
(1)检波模块。
检波模块采用快充慢放包络检波算法，对输入信号进行低通滤波，得到信号包络的均值。其表达式为
其中，x(n)为输人语音信号，y(n)为检波结果，mf为充电时间常数，ms为放电时间常数。根据语音信号包络起伏较大的特点，充电时间应该在几百毫秒量级，而放电时间应该在几秒到十几秒之间。另外，由于语音字与字，句与句之间有停顿，停顿期间只有噪声，包络检波器应停止工作。实现的方法是设定幅度门限ln，幅度低于ln的信号认为是噪声，只有幅度高于ln的信号才参与包络检波。
(2)增益折算模块。
平均包络电平y(n)与目标电平yaim相差的分贝数为△g(n)=20 log(yaim／y(n))，由于输入vga的调整精度为1．5 db(共31档)，所以vga的增益调整量△g0(n)应取与△g(n)最接近且能被1．5整除的数。y(n)与△g0(n)之间的映射关系，如图5所示，一定范围内的y(n)与唯一的△g0(n)相对应，例如，若y(n)∈[1．3 yaim，1．54 yaim]，则△g0(n)=-3 db。
3．2输出agc实现方法
输出agc由前馈控制算法实现。检波模块对语音信号进行鉴幅，估计出语音信号的平均包络电平，增益折算模块将平均包络电平与目标电平比较，折算出vga的增益调整量，再与vga的初始增益值相加，得到vga的目标增益值。目标增益值经mcbsp0和控制接口前馈到vga，从而实现增益的自动控制。
输出agc中检波模块的实现方法与输入agc中检波模块完全一致，增益折算方法与输入agc中的增益折算方法相似，但由于输出vga的调整精度为1 db(共79档)，所以输出vga的增益调整量△g0(n)应取与△g(n)最接近的整数。
结束语
在介绍aic23特点和结构的基础上，给出了基于aic23的语音接口设计方法，详细讲解了语音agc的实现方法。充分利用aic23接口简单灵活、输入和输出信噪比高、增益可调的特点，使所设计的语音接口电路简单、音质清晰、音量稳定。
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aic23的基本结构和主要接口，如图1所示。模拟语音信号从左、右声道线输入管脚或麦克信号输入管脚输入，分别经vga、静音控制、多路选择器、a／d转换器、数字插值滤波器，得到特定采样率的数字语音信号；数字语音信号依次经过数字滤波器、d／a转换器、静音控制和vga，最后从左、右声道线输出管脚输出；aic23的工作状态由系统微处理器通过控制接口设置，控制接口模式为spi／i2c可选(mode管脚置高为spi模式，置低为i2c模式)；aic23与微处理器通过数据接口进行数据交换，数据接口为左判断／右判断／i2c／dsp模式可选(由微处理器通过控制接口设置)。ti公司生产的54系列dsp集成了多通道缓冲串口(mcbsp)，可与spi模式的控制接口和dsp模式的数据接口无缝连接。
1．3控制方法
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2 语音接口设计
2．1 硬件设计
语音接口由ti公司的数字信号处理器tms320vc5416与aic23构成，如图2所示。vc5416有3个多通道缓冲串口(mcbsp)，其中mcbsp0与aic23的控制接口相连，负责对aic23内部寄存器进行配置。mcbspl与aic23的数据接口相连，完成与aic23之间的数据交换。模拟语音信号从线输入管脚输入，线输出管脚输出。
2．2 接口配置
(1)控制接口。
通过置高aic23的mode管脚将控制接口设为spi模式。vc54．16的mcbsp0设为主动模式，产生位同步信号、帧同步信号，向aic23发送16 bit单帧，每帧高7位为aic23中寄存器的地址，低9位为该寄存器的设置值。本设计中对aic23的配置主要包括：线输入使能、麦克输入静音、数据接口设为dsp(主)模式、字长16 bit、采样率32 khz。
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数据接口的dsp模式是专门用来与ti公司dsp相连接的。vc5416的mcbspl工作在从动模式，位同步信号、帧同步信号由aic23产生。mcbspi发送、接收的数据传输采用单帧模式，其中高16位为左声道数据，低16位为右声道数据。
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使放大器的增益随信号强度的变化而自动调整的控制方法，就是agc，即自动增益控制。agc可由硬件或软件实现，本设计充分利用aic23内部集成的vga，采用软硬结合的方法实现。输入和输出agc的实现方法，如图3，图4所示。
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(2)增益折算模块。
平均包络电平y(n)与目标电平yaim相差的分贝数为△g(n)=20 log(yaim／y(n))，由于输入vga的调整精度为1．5 db(共31档)，所以vga的增益调整量△g0(n)应取与△g(n)最接近且能被1．5整除的数。y(n)与△g0(n)之间的映射关系，如图5所示，一定范围内的y(n)与唯一的△g0(n)相对应，例如，若y(n)∈[1．3 yaim，1．54 yaim]，则△g0(n)=-3 db。
3．2输出agc实现方法
输出agc由前馈控制算法实现。检波模块对语音信号进行鉴幅，估计出语音信号的平均包络电平，增益折算模块将平均包络电平与目标电平比较，折算出vga的增益调整量，再与vga的初始增益值相加，得到vga的目标增益值。目标增益值经mcbsp0和控制接口前馈到vga，从而实现增益的自动控制。
输出agc中检波模块的实现方法与输入agc中检波模块完全一致，增益折算方法与输入agc中的增益折算方法相似，但由于输出vga的调整精度为1 db(共79档)，所以输出vga的增益调整量△g0(n)应取与△g(n)最接近的整数。
结束语
在介绍aic23特点和结构的基础上，给出了基于aic23的语音接口设计方法，详细讲解了语音agc的实现方法。充分利用aic23接口简单灵活、输入和输出信噪比高、增益可调的特点，使所设计的语音接口电路简单、音质清晰、音量稳定。
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