陳亞都，王洋洋，李 瑞

（航空工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065）

0 引 言

音頻采集系統(tǒng)是將麥克風(fēng)等設(shè)備產(chǎn)生的模擬音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的信號(hào)，需要經(jīng)過采集、量化以及編碼3個(gè)步驟，編碼后將數(shù)字碼流通過串行總線傳輸給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集。隨著音頻技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)音頻采集系統(tǒng)提出了特殊需求。目前，航空機(jī)載音頻采集系統(tǒng)存在音頻信號(hào)失真高、噪聲大、采集通道不足等問題，因此將音頻信號(hào)的失真、降噪等問題作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于STM32的多通道、低失真以及低噪聲的音頻接口模塊[1]。

1 模塊整體方案

基于STM32的音頻接口模塊主要實(shí)現(xiàn)多路音頻信號(hào)的采集、輸出以及存儲(chǔ)等功能，主要包括電源電路、微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）外圍輔助電路、音頻編解碼電路、4路差分運(yùn)放電路以及4路單端運(yùn)放電路，如圖1所示。

圖1 模塊整體方案框架

選用STM32F769作為音頻接口模塊的核心，其擁有2個(gè)串行音頻接口（Serial Audio Interface，SAI），具有靈活性高、配置多樣等特點(diǎn)。通過差分運(yùn)放電路將麥克風(fēng)采集的4路單端音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分音頻信號(hào)，在音頻編解碼電路實(shí)現(xiàn)串行音頻信號(hào)的編解碼。通過SAI接口實(shí)現(xiàn)MCU與音頻編解碼芯片的數(shù)據(jù)傳輸，通過單端運(yùn)放電路將輸出的模擬音頻信號(hào)放大輸出，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集、處理、輸出以及存儲(chǔ)[2-4]。

2 模塊硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU外圍輔助電路

MCU外圍輔助電路主要實(shí)現(xiàn)MCU的啟動(dòng)、復(fù)位、調(diào)試以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，并向MCU提供時(shí)鐘信號(hào)。使用外部25 MHz晶振為MCU提供時(shí)鐘，通過LTC1726實(shí)現(xiàn)音頻接口模塊的看門狗功能，通過LTM6315實(shí)現(xiàn)音頻接口模塊的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位功能。MCU通過串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）總線驅(qū)動(dòng)串行Flash（W25Q128FVFIG），實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。選用串行調(diào)試（Serial Wire Debug，SWD）接口，通過MAX232實(shí)現(xiàn)串口通信功能。

2.2 差分運(yùn)放電路

選用的音頻編解碼芯片CS4244需要輸入差分模擬音頻信號(hào)，因此需要設(shè)計(jì)4路差分運(yùn)放電路。以通道1為例，使用差分驅(qū)動(dòng)器AD8139將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)，為了減少信號(hào)的失真和噪聲，設(shè)計(jì)了濾波電路和阻抗匹配處理，然后輸入給差分驅(qū)動(dòng)器AD8139，最后輸出差分音頻信號(hào)[5]。

2.3 音頻編解碼電路

STM32F769每一路SAI接口具有2個(gè)獨(dú)立的音頻子模塊，每個(gè)子模塊擁有4個(gè)信號(hào)線，可以工作于異步模式或同步模式。為了加快音頻數(shù)據(jù)的寫入/讀取速度，將一路SAI接口的2個(gè)子模塊配置為同步模式，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。此時(shí)2個(gè)子模塊的部分信號(hào)線可以共用，分別為串行數(shù)據(jù)輸入（Serial Data Input，SDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（Serial Data Output，SDO）、SCK、FS以及MCLK，其余未用到的信號(hào)線得到釋放。音頻信號(hào)輸入輸出流程如圖2所示。

圖2 音頻信號(hào)輸入輸出流程

輸入的4路差分音頻電路經(jīng)過內(nèi)部4路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）處理，輸出串行音頻信號(hào)。通過I2C總線對(duì)CS4244配置后，CS4244將音頻數(shù)據(jù)流輸出到SDO信號(hào)線，MCU讀取SDI信號(hào)線上的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在SAI自帶的FIFO中，至此完成音頻數(shù)據(jù)采集。在完成降噪和消除回聲處理后，MCU可以將音頻數(shù)據(jù)流輸出至SDO信號(hào)線，通過CS4244內(nèi)部集成的DAC輸出4路差分音頻信號(hào)[6-8]。

2.4 單端運(yùn)放電路

本次設(shè)計(jì)采用TI公司設(shè)計(jì)的差分放大器TL082，其具有高輸入阻抗、低諧波失真以及短路保護(hù)等特點(diǎn)。以通道1為例，其使用±15 V電壓供電，CS4244輸出差分音頻信號(hào)后經(jīng)過差分放大器TL082處理，最終輸出單端音頻信號(hào)。此外，為了進(jìn)一步提高輸出音頻信號(hào)的質(zhì)量，輸出的單端音頻信號(hào)需要經(jīng)過濾波、降噪等處理，以便獲得清晰的音頻輸出信號(hào)[9,10]。

2.5 電源電路

電源電路能夠?qū)崿F(xiàn)模塊的供電和掉電指示功能，主要包括輸入保護(hù)及濾波模塊、掉電指示模塊、輔助電源模塊、浪涌保護(hù)模塊以及多路直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC）變換模塊。掉電指示模塊能夠檢測輸入電源的電壓質(zhì)量，在輸入電壓過低時(shí)通過信號(hào)燈變化指示供電狀態(tài)。浪涌保護(hù)模塊能夠在電路出現(xiàn)尖峰電壓時(shí)及時(shí)關(guān)閉主功率輸入電路，防止對(duì)后級(jí)電路造成損傷。多路DC/DC變換模塊主要用于輸出±15 V、+5 V、+3.3 V以及1.8 V電壓。

3 模塊軟件設(shè)計(jì)

模塊軟件部分主要實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的采集、降噪、消除回聲、輸出以及存儲(chǔ)等功能，軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程

MCU初始化部分主要實(shí)現(xiàn)模塊上電后時(shí)鐘配置、外設(shè)初始化等。音頻編解碼芯片驅(qū)動(dòng)部分使用Audio_Init_Config()函數(shù)實(shí)現(xiàn)音頻編解碼芯片的初始化配置，包括采樣率、工作模式、采樣寬度等配置信息，使用Audio_Data_Read( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集，使用Audio_Data_Write( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸出。SAI接口配置部分主要實(shí)現(xiàn)串行音頻接口配置，使其滿足時(shí)分復(fù)用（Time-Division Multiplexing，TDM）協(xié)議，能夠完成音頻數(shù)據(jù)的讀取和寫入，使用HAL_SAI_Init( )函數(shù)完成接口的初始化配置，使用HAL_SAI_Transmit( )函數(shù)和HAL_SAI_Receive( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和讀取。

4 模塊測試

在不同頻率的音頻信號(hào)下，驗(yàn)證音頻接口模塊輸出音頻信號(hào)的失真度。正常情況下，當(dāng)音頻信號(hào)的失真度小于3%時(shí)，即可認(rèn)為該音頻信號(hào)具有較高的質(zhì)量。以通道1為例，使用專用音頻測試儀向輸入端連續(xù)注入頻率為0.5～6.0 kHz、幅值為400 mV的正弦音頻信號(hào)，測試輸出端的失真度，結(jié)果如表1所示。

表1 音頻測試失真度結(jié)果

由表1可知，在輸入0.5～6.0 kHz的正弦音頻信號(hào)后，音頻接口模塊輸出端的失真度均小于2%，能夠滿足高質(zhì)量輸出音頻的需求，具有較好的應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

機(jī)載音頻采集系統(tǒng)中，音頻信號(hào)失真度是非常重要的衡量指標(biāo)，圍繞該指標(biāo)設(shè)計(jì)一種多通道、低失真以及低噪聲的音頻接口方案，并進(jìn)行了相關(guān)音頻接口測試。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的音頻接口模塊輸出端的失真度較低，能夠滿足高質(zhì)量輸出音頻的需求，具有良好的應(yīng)用前景。