实现音频信号检测的设计指南

文章借助：Viacheslav Kolsun

声音可以用模拟或数字音频信号表示。模拟音频信号使用电压电平。不同类型的换能器将声音转换为电信号和电信号到声音。音频信号频率范围大约为20Hz至20,000Hz。

麦克风和扬声器等来源产生或接收音频信号，但是信号也可能是白噪声或单调噪声。这些可能是由电路中的问题引起的并且具有落在音频范围内的频率。根本也可能没有信号。在检测音频信号时，必须考虑这些可能性，以便与真正的音频信号从真正的音频信号区分噪声和无信号，如人类语音，音乐和自然声音。

音频信号检测原理

人耳可以听到20Hz近似范围的频率为20,000 Hz。该范围可包括单个音调，例如来自无线电系统的变压器嗡嗡声或白噪声。这几乎不言而喻，这些声音在音频系统中是可取的;高水平的这种声音可能会损坏听力。人类演讲，音乐和自然声音有不同的频率，不断变化。因此，音频检测器应基于这些变型注册频率变化并选择有用的音频信号。

figure1这就是音频信号检测工作原理。来源：对话框半导体

音频信号检测背后的基本理论如图所示图1。系统设计考虑三个参考频率：100 Hz，500 Hz和3 kHz。对于给定信号，系统计数信号频率在一定时间段内通过参考频率交叉的次数。考虑了从低到高频率的交叉;例如，50 Hz至150 Hz将计算100Hz，150 Hz至50 Hz不会。如果它在最小次数中，该设计将信号考虑为音频，如图所示，表格1。

表格1最小频率交叉检测音频信号;可以根据用户通过i调整这些数字²C.来源：对话半导体

图1中显示了三个样本信号：

1. 十三khz三次（以黑色显示）的噪音。
2. 单音嗡嗡声不会交叉任何频率（以红色显示）。
3. 改变语音或音乐（以绿色显示）变化的信号。它穿过100 Hz六次，500 Hz五次，3 kHz一次。该曲线交叉所有三个参考频率，尽管设备未检测到3 kHz，因为它只跨越一次;它必须交叉两个或更多次进行检测，如表1所示。该装置检测500Hz（它穿过五次;两个是表1中的最小值），100 Hz（十字架六次;四个是表1中的最小值）。由于它通过足够的次数交叉两个参考信号，因此检测到信号作为音频。

请注意，语音或音乐可以暂停。John Milton Cage Jr有一个着名的构图，称​​为4'33“，缺乏任何声音。当然，设计无法以音频确定这么长的暂停，尽管检测算法将忽略小于5秒的暂停。

最后，设计应削减低于20Hz和超过20kHz的听不之频率。我们将使用这些原理作为设计音频信号检测器的基础，同时采用SLG47502可编程混合信号芯片。

检测设备实现

设计架构

此设备的架构显示在图2并包含以下构建块：

1. 模拟音频信号的量化。这将连续模拟值映射到双倍值。在此过程之后需要知道的只是音频信号的频率。
2. 高切滤器。这忽略了高于20 kHz的频率。
3. 低切滤器。这忽略了低于25 Hz的频率。
4. 频率交叉计数器。这对信号频率的交叉数和参考频率高频，中频，低频 - 在根据表1的一定时间（测量时间）中的数量。
5. 音频暂停。如果小于5秒，则会检测音频暂停并忽略它们。
6. 测量时间。给定的时间段计算。
7. D-Flipflop（DFF）。这在测量时间期间存储音频检测，并将其输出到PIN12（audioDetect）。
8. 五分钟没有音频信号。这检测了音频信号的五分钟空闲时间，并在PIN11上设置高电平（FiveMinutesNoAudioSignal）。

图2设备架构图突出显示主要构件块。来源：对话框半导体

块配置

模拟部分：音频信号的源信号应连接到PIN9（Audio_in-）和PIN10（Audio_in +）。PIN10（Audio_in +）是模拟比较器（ACMP）的输入。PIN9（Audio_in-）是参考电压（500 mV）。考虑到音频信号是交流信号并且IC是单电压提供的事实，设计将输入音频信号偏置为500 mV以避免负电压。之后，输入音频信号进入ACMP0H（图3.）。ACMP0H量化音频信号，该信号由设计的剩余部分处理。

图3.模拟部分表示包括模拟比较器和参考电压引脚的音频信号的源。来源：对话框半导体

高切滤波器：延迟（8位CNT7 / DLY7（MF7））用于过滤超出20 kHz的频率（图4.）。设计工程师可以通过将计数器数据写入0xA0 <1287：1280>通过i来调整频率周期²C。

图4.高剪切滤波器采用延迟过滤超出20 kHz的频率。来源：对话框半导体

低切滤波器：低剪切过滤器所示图5.由两部分组成：

1. reglitch过滤器。考虑到没有CNT / DLY阻挡来过滤随机毛刺的事实，通过查找表（3位LUT8），移位寄存器（SHR 13）和DFF（DFF12）。设计者可以调整随机脉冲的时间，将计数器数据写入0x69 <845：842>通过i²C。
2. 低剪切滤波器用频率​​检测器（CNT5 / DLY5）实现，其截止频率低于25Hz。设计者可以调整频率的切割周期，将计数器数据写入0x94 <1191：1184>通过i²C。

图5.低剪切过滤器包括达灯滤波器和频率检测器。来源：对话框半导体

频率交叉柜台：此块由几个部分组成。第一部分是边缘det（图6.）。它将双层音频信号转换为一系列短脉冲，该短脉冲节省了当前音频信号的频率。下一步是通过参考频率检测音​​频信号的电流频率的交叉，如图所示表2.和图7.。

图6.频率交叉计数器的第一部分将双级音频信号转换为一系列短脉冲。来源：对话框半导体

表2.在频率检测期间，交叉频率可以通过I更新²C.来源：对话半导体

用参考频率计数与参考频率的频率交叉的数量由移位寄存器（SHR7，SHR8，SHR9）进行。

图7.这就是如何检测与参考频率的音频信号的当前频率的交叉的交叉。来源：对话框半导体

音频暂停：音频暂停块使用频率检测器实现，如突出显示图8.和表3。使用此块检测音频信号的暂停，如果它不到5秒，则忽略。音频信号被认为是连续的。如果暂停超过5秒，则设计检测到这不是音频信号。

图8.音频暂停块用频率检测器实现。来源：对话框半导体

表3音频暂停数据;交叉频率可以通过i更新²C.来源：对话半导体

测量时间：设计在由计数器控制的特定时间内计算参考频率的交叉数量，如柜台所突出显示图9.和表4.。如果频率交叉计数器在测量时间期间，频率交叉计数器没有检测到包括音频暂停的音频信号，则设计将其识别为无信号。

图9.测量时间块在特定时间计数参考频率的交叉数。来源：对话框半导体

表4.测量时间数据涉及参考频率的交叉数。来源：对话框半导体

音频信号存在存储：音频信号存在存储由DFF0执行，如图2所示。使用P DLy-Mode设置信号是边缘延迟和LUT（3位LUT13）。

无音频信号：如果设计在〜5分钟内未检测到任何音频信号，那么它会在PIN11上设置高电平（FiveMinuteSuteoPause）。计算此时间是用LUT（3位LUT3）和延迟（CNT6 / DLY6）进行的。这次是根据的表5.。

表5.根据此信息进行计数无音频时间。来源：对话框半导体

典型的应用电路

图10.上图示出了典型的应用电路。来源：对话框半导体

硬件测试

通道1（黄色，顶部）-pin＃10（Audio_in +）

通道2（蓝色，底部）-pin＃12（audiodetect）

示波器接地连接到PIN9（Audio_in-）

图11.波形显示使用记录播放（A）和使用FM无线电调谐（B）进行测试。

音频探测器设计

本文介绍了具有可编程混合信号芯片SLG47502的音频检测器的设计。所提出的方法基于音频信号的变化频率。如果输入信号的频率会改变一定次数，则设备将该信号识别为音频。该设计为音频中的暂停提供津贴。如果在五分钟内没有识别音频信号，则设备在PIN11上设置高电平。如果输入信号的电平相对较低，则该设计无法识别音频。

在中创建的完整设计文件GreenPak Designer.可以找到软件这里。

本文最初发布行星模拟。

Viacheslav Kolsun.是对话框半导体的应用工程师。