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。