基于AD1941时分复用多通道数字音频处理模块设计

代微璐，黄晓革

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 610054）

滤波/均衡器、压限器等是声频系统中常用的信号处理设备模块，其目的是用以实现对音频信号实现幅度调整、频率均衡、声音效果和动态压缩/限制等处理的功能。随着数字技术的发展，与模拟音频系统相比，数字音频在处理、传输、储存等各方面都有很强的优越性。数字音频处理在现代音频处理系统中具有模拟音频处理无法比拟的优势，各种信号处理设备已逐步实现数字化。目前通用 DSP在数字音频处理的应用中存在各个模块的算法复杂、代码移植繁琐、开发周期长等不方便的地方[1]。而目前专用音频DSP地出现将使数字音频系统的开发设计工作变得更方便高效。现在已有单片集成电路上集成了多路音频专用DSP和高性能声频数据转换器的解决方案[2]。以图形化的模块代替复杂的算法和繁琐的代码缩短了开发的时间和精力。并且为开发人员提供了专业高品质的数字声音处理模块。

1 数字音频协议与芯片功能介绍

1.1 TDM数字音频协议

TDM-I2S是一种在IIS协议基础上的时分复用的数字音频协议。

TDM-2S串行数字总线主要由4条信号线组成：

1）MCLK，系统时钟，其频率一般是采样频率的256倍。

2）LRCK，帧时钟，每个LRCK可以传输8路音频信号，LRCK的频率等于采样频率。

3）BCLK，位时钟，即对应数字音频的每一位数据，每一路音频信号对应32个BCLK时钟。

4）SDATA，串行数据，用二进制补码表示的音频数据。

其时序结构如图1所示[3]。

图1 TDM-I2S逻辑时序Fig.1 Sequence of TDM-I2S bus

1.2 芯片介绍

AD1940/AD1941是ADI公司推出的一款完整的28位、单芯片、多通道音频DSP。音频的大部分处理均采用完全56位双精度模式完成，低电平信号性能极佳，并且无极限环或空闲音。压缩器/限幅器采用高端广播压缩器常用的先进多断点算法。芯片的数字输入和输出端口可以通过多个双通道串行数据流或TDM数据流，与ADC和DAC实现无缝连接。在TDM模式下，AD1941可以输入8通道或16通道串行数据，并且可以输出8通道或16通道串行数据。输入和输出端口配置可以分别独立设置。

2 模块总体设计

上位机通过USB转IIC下载线对AD1941数字音频模块芯片配置，进行诸如：音量控制、滤波、增益、压限等音频处理。如图1为数字音频处理模块信号流程图，外部为模块提供音频信号的主时钟MCLK，4路立体声数字音频通过TDM模式传输到音频处理模块，模块对4路立体声音频信号进行前级滤波，多段EQ均衡器，后增益，多频段压缩/限幅的处理。上位机可以通过IIC控制端口可以实现动态免点击参数更新，最后芯片模块选择通过TDM模式输出数字音频。

图2 数字音频处理模块信号流程图Fig.2 Sequence of TDM-I2S bus

3 AD1941硬件电路设计

AD1941芯片的外围电路为：输入数字信号，输出数字信号，I2C控制，电源，芯片管脚配置 。在本设计中输入数字信号既可以用标准的IIS信号，也可以用时分复用的TDM-IIS信号。输出亦然。控制采用了IIC控制协议，用来配置内部寄存器、下载程序。

在程序运行时，IIC也可以动态调节程序参数。ADR_SEL接上4.7 kΩ电阻上拉至3.3 V，把芯片设备地址的低位为1。把 PLL_CTRL2上拉、PLL_CTRL1下拉、PLL_CTRL0上拉，配置为“101”使系统时钟（MCLK=Fs*256）。图3为本设计的外围电路。

在AD1941的电路中，需要注意以下问题：

1）电源与地的设计。在电源方面芯片需要3.3 V与2.5 V的两组电源。电源由外部系统提供，在外部电源雨内部电源中间添加了保险管，用来防止外部电源异常时对芯片的损坏。芯片的电源管脚都采用了相应的0.1 μF的陶瓷滤波电容。

2）数字接口设计。本设计的硬件电路采用冗余的数字接口。同时兼容IIS与TDM-IIS两种数字音频协议。当在TDM-IIS协议中输入为1941B_SIN3管脚，输出为1941B_SOUT0管脚。

3）阻抗匹配。为了减少传输线上的信号被反射，在信号的源端与传输线之间串接一个33 Ω电阻，使源端的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配。

4 软件设计

系统软件使用ADI的音频处理芯片专用的辅助图形画编译软件SIGMA STDIO。此软件支持下载器在线调试，设计对八路信号进行EQ调节，前后增益的软件。结合参数寄存器介绍EQ调节的程序运行时候的动态参数调试。

图3 AD1941外围电路Fig.3 Peripheral circuit of AD1941

4.1 AD1941内核寄存器的控制

打开SIGMA STDIO软件，在软件左边的Tree Toolbox下的Communication Channel拖入 USBi模块、Processors下拖入AD1941模块，用线连接USBi与AD1941并选择芯片IIC的从地址。点击进入Hardware的Register Control，对于输入模块把Serial input设置成TDM，把Input Serial Port to Sync设置为LRCLK，把Input配置为以LRCLK为同步信号的TMD输出模式。对于输出模块把Serial Output的Frame Sync Type（帧同步类型）设置成LRCLK、Frame Sync Freq设置成clock/1536、MSB Position设置为 delay by 1、word length设置为 24 bits、最后选择TDM enable，把Output配置为TDM输出模式。对于核寄存器把Dsp core的Program Length设置为1536（48 kHz），并选择Zero All Registers用于在对芯片启动前对说有的寄存器清零。

通过以上的设置整个音频模块把模块配置为对频率为48 kHz，有效位为 24 bits，同步信号为 LRCLK，输入输出为TMD模式的模块。

4.2 音频处理模块编写

在本设计下我们要对4路立体声（8路信号）进行EQ和前后增益的处理。

1）连接USB设备。当把下载线插入USB接口，windows可以探测到USB设备。打开添加硬件向导可以顺利完成USB设备驱动的安装。

2）设置输入输出。打开SIGMA STDIO软件，在（IC1）AD1941的IO选项里面选择Input并添加schematic窗口内，把输入设置为8路输入。选择Output并添加schematic窗口内，把输出设置为8路输出。

3）添加双路立体声EQ。在Filters选项里面选择Second Order（二阶滤波器），然后选择 Double Precision（双精度），再选择2 Ch（双通道立体声），最后选择Medium-sized（中等类型的）。添加到窗口里。然后把1路的EQ设置成8路EQ。并设置各路EQ的中心频率、EQ类型、Gain、Q值、各段EQ的数值。类似的添加另外3路形成4路立体声EQ。

4）添加前后立体声增益。在Basic DSP选项里面选择Linear Gain，点击设置为双通路的Gain，在每个EQ前后分别放置一个Gain模块。

5）添加压限。在Dynamic Processor选项，里面选择RMS Detector，点击设置压限的各种参数。

6）把8路信号按顺序连接前增益、八段EQ、后增益、输出。

7） 分别按顺序执行 link project、link compile project、link compile download，把程序下载到芯片中。

8）程序下载完成后通过图形化操作动态的调节EQ、前后增益、压限，音频模块的参数，从而动态调节音频参数。

图4是基于SIGMA STUDIO编写的音频处理模块的程序框图[4]。其8路信号分成以一个立体声为一个单位的4组立体声音频处理单元，每路立体声分别进过前增益、EQ均衡器、后增益、压限[5]。

图4 数字音频处理SIGMA STUDIO程序框图Fig.4 The program diagram of digital audio processing

5 结 论

笔者设计一种基于AD1941芯片以及配套设计软件SIGMA STUDIO的系统。以AD1941为核心，实现了前后增益、EQ均衡器、压限等多种数字音频处理[6]。基于PC端的SIGMA STUDIO设计软件是通过使用软件提供的各种图形化的音频处理模块，配合使用基于IIC协议的下载线，使数字音频设计变得方便快捷。

[1]彭妙颜，周锡韬.数字声频设备与系统工程[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2]邹伟胜.模拟/数码音响调音技术[M].北京：电子工业出版社，2007.

[3]AD1941:SigmaDSP®multichannel 28-Bit audio processor data sheet[EB/OL].[2011-07-31].http://www.analog.com/en/audiovideo-products/audio-signal-processors/ad1941/products/product.html.

[4]AN-1006:Using the EVAL-ADUSB2EBZ[EB/OL].[2011-07-01].http://www.analog.com/.

[5]张贤达.现代信号处理[M].2版.北京:清华大学出版社，1996.

[6]邹勇，吴先球.基于 AD1954的数字音响处理系统的设计[J].电声技术，2009（5）:33-35.

ZOU Yong，WU Xian-qiu.Digital sound processing system designbasedonAD1954[J].AudioEngineering，2009（5）:33-35.