专利名称：一种多路输入音频混合交换方法
技术领域：
本发明涉及一种音频信号的混合处理方法，特别是一种具有良好切换功能的多路 输入音频混合交换方法。
背景技术：
目前，音频交换技术的实现主要基于网络技术的"无中心交换"。无中心的交换模 式是基于专门的音频网络传输协议，建立和以太网类似的数字音频网络，实现基于数 据包级的音频信号的网上实时交换。系统中控制信号和音频信号同网传输，且各部分 独立运行，无中心设备。无中心交换模式的扩展性强，在大型交换系统中已有使用， 如广播电台、电视台等，但当发生网络阻塞、丢包率增加等情况时，终端接收到的话 音质量就会明显下降。并且实现无中心交换所需的设备及算法较复杂，短期内难以大 规模实现。
发明内容
发明目的本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种多路输 入音频混合交换方法，从而解决中、大容量的交换矩阵设计以及信号混合问题。 技术方案本发明公开了一种多路输入音频混合交换方法，包括以下步骤 步骤(1)，将信源输入的多路音频信号送入输入音量调节模块进行输入音量调节； 步骤(2)，将所述信号送入模-数转换模块将模拟音频信号转换为数字音频信号； 步骤(3)，将信号送入音频信号处理模块对各路信号进行交换、混合； 步骤(4)，将信号送入数-模转换模块将数字音频信号转换为模拟音频信号； 步骤(5)，将信号送入输出音量调节模块进行输出音量调节； 步骤(6)，将模拟音频信号输出到信宿；
其中步骤(3)中，所述对各路信号进行交换、混合包括以下部分
步骤(a)，本发明将输入、输出信号抽象为两个向量X和Y，将输入与输出的转接 关系抽象为交换矩阵M，将输入信号与输出信号间的转接转换为向量与矩阵之间的运
算
"附1"、V》1 —
"附鹏乂3」
其中^ = ，A + m;2、 + wy3x3 +…+
3同时，本发明为了实现对输入、输出音量的独立控制，引入了另外两个控制向量A、 B和控制矩阵N，分别对应输入、输出音量及交换关系，使交换矩阵M变换为<formula>formula see original document page 4</formula>其中 =0，1
其中最终的输出结果^.为A. 二^.("乂.A^ + /2a2x2 +")3a3x3 + + "y. a";c ).
向量A代表输入信号的音量调节值，其中的元素^代表第i路输入信号的音量参
数；
向量B代表输出信号的音量调节值，其中的元素、代表第j路输出信号的音量参
数；
"'和^由音量控制芯片来实现，其取值范围由选用的音量控制芯片性能决定。对
于大多数不带有音量放大功能的音量控制芯片，其范围为0 1;对于带有音量放大功能 的芯片，取值为0 G， G为该芯片的最大放大倍数。
矩阵N代表输入与输出之间的转接关系，若 =1，则输入i交换到输出j;若 =0。 则输入j不交换到输出j;
步骤(b)，若 =1，即该开关导通，输入i交换到输出j，将第i路信号数值送入 第j路的加法器的第i个输入端；
步骤(c)，若 ；0，即该开关断开，输入i不交换到输出j，将第j路加法器的 第i个输入端置零
步骤(d)，将n个输入信号中的每一路分配为m路，分别送入m个加法器中； 步骤(e)，加法器将所有输入端口的数据相加，得出最终混合结果。 本发明中，优选地，所述输入音量调节模块为PGA4311音量控制芯片。 本发明中，优选地，所述模-数转换模块为PCM4204四通道音频模数转换芯片。 本发明中，优选地，所述数模转换及输出音量调节模块为PCM1681八通道音频数
模转换芯片，所述数字音频信号的传输格式采用24bit左对齐串行PCM编码。 本发明中，优选地，所述音频信号处理模块为FPGA现场可编程门阵列。
本发明中， 一个多输入输出的系统可以抽象为一个矩阵M，其输入和输出信号抽象
为两个向量(x， y)，系统实现的功能就是将输入向量通过矩阵的运算转换为输出向量:<formula>formula see original document page 5</formula>
对于一个音频交换混合系统，矩阵M中各元素的值即代表了某路输入与某路输出 的对应关系，以及音量信息。
其中的任意 一路输出乂为=附"A + w,.2x2 +附,.3>\;3 +…+附' ;
本技术方案将多路音频输入、输出信号抽象为向量，将音频4号的交换与混合转 换为向量与矩阵的运算；再利用FPGA构建数字电路交换矩阵，实现数字音频信号的交 换与混合。
有益效果本发明的优点在于1、将模拟音频信号转化为数字音频信号进行处理， 同时实现了信号的交换与混合；2、采用FPGA器件，可以根据实际需求设计交换容量， 利用FPGA器件运行速度快、编程自由度高的特点，可以根据实际需求设计交换容量， 同时能够实现更大容量的矩阵设计(普通的交换矩阵芯片交换容量一般为8X8，利用 本发明可以轻松实现16X 16或者32X32,容量上限视使用的FPGA芯片的逻辑单元数 量而定)；3、采用硬件数字电路交换，同时传输延迟统一性高，利于后续信号处理;4、 实现了信号的混合输出，大部分交换矩阵芯片没有或者只有部分混合功能，只能实现 一定数量内的信号混合。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明的信号处理流程图。
图2为本发明中模块连接图。
图3为本发明中FPGA内部时钟模块工作时序图。
图4为本发明中FPGA内部交换矩阵模块原理图。
图5为本发明中混合模块原理图。
图6为本发明中FPGA内信号流程图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明公开了一种多路输入音频混合交换方法，包括以下步骤 步骤(1)，将信源输入的多路音频信号送入输入音量调节模块进行输入音量调节; 步骤(2)，将所述信号送入模-数转换模块将模拟音频信号转换为数字音频信号； 步骤(3)，将信号送入音频信号处理模块对各路信号进行交换、混合； 步骤(4)，将信号送入数-模转换模块将数字音频信号转换为模拟音频信号；步骤(5)，将信号送入输出音量调节模块进行输出音量调节； 步骤(6)，将模拟音频信号输出到信宿；
其中步骤(3)中，所述对各路信号进行交换、混合包括以下部分: 步骤(a)，通过矩阵控制交换、混合
》1 -、.V[I A]V
、 1 3_
其中 =0，1
其中最终的输出结果力为^ = ~ (")!a,A十 2a2X2 +";.3a3;<;3 +." + "; a jc )
向量A代表输入信号的音量调节值，其中的元素"'代表第i路输入信号的音量参
数；
向量B代表输出信号的音量调节值，其中的元素^代表第j路输出信号的音量参
中/,
数；
《和、由音量控制芯片来实现，其取值范围由选用的音量控制芯片性能决定。对
于大多数不带有音量放大功能的音量控制芯片，其范围为0 1;对于带有音量放大功能 的芯片，取值为0 G， G为该芯片的最大放大倍数。
矩阵N代表输入与输出之间的转接关系，若 =1，则输入i交换到输出j;若 =0。 则输入i不交换到输出j;
步骤(b),若 =1，即该开关导通，输入i交换到输出j，将第i路信号数值送入 第j路的加法器的第i个输入端；
步骤(c)，若 =0，即该井关断开，输入i不交换到输出j，将第j路加法器的 第i个输入端置零
步骤(d)，将n个输入信号中的每一路分配为m路，分别送入m个加法器中； 步骤(e)，加法器将所有输入端口的数据相加，得出最终混合结果。 本发明中，所述输入音量调节模块为PGA4311音量控制芯片。所述模-数转换模块 为PCM4204四通道音频模数转换芯片。所述数模转换及输出音量调节模块为PCM1681 八通道音频数模转换芯片，所述数字音频信号的传输格式采用24bit左对齐串行PCM 编码。所述音频信号处理模块为FPGA现场可编程门阵列。
当然也采用其他器件替代设计中使用的专用集成电路PGA4311、 PCM4204、 PCM1681 实现，例如采用DSP (Digital Signal Processer，数字音频信号处理器)器件替代 FPGA实现交换矩阵和混合功能。采用其他种类的接口 ，如IIC、 SPI或者MRT代替GPIO与FPGA进行通信，控制转接操作。
如图1所示，本发明中系统主要由5大功能模块组成，分别是音频信号处理模
块；模-数转换模块(多路，由输入信号信道数量决定)；数-模转换模块(多路，由输 出信号信道数量决定)；输入音量调节模块(可选，多路，由输入信号信道数量决定)； 输出音量调节模块(可选，多路，由输出信号信道数量决定)。
本发明中，所述FPGA内部包含串/并转换、交换矩阵、混合、并/串转换、矩阵控 制和时钟模块。各模块间连接关系如图2所示。FPGA内部信号流程为串行数字音频 信号送入FPGA内部以后，首先经由串/并转换模块，转换为并行数字音频信号，然后 进入交换矩阵模块，根据设定好的路径传送至指定的混合模块，再经由并/串转换模块， 转换为串行PCM编码数据送出。
本发明中，所述FPGA内部各模块的功能简介如下
(1) 时钟模块
时钟模块的功能是为串/并、并/串转换模块和模-数、数模转换芯片提供统一的全 局时钟。采用统一时钟可以有效地避免各模块之间产生时间差，影响信号混合效果。
本发明中，模-数和数-模转换芯片均工作于被动模式(Slave Mode),使用左对齐 (Left Justified) 24bit PCM编码方式传输数字音频信号，由FPGA提供三个时钟信 号系统时钟(SCK)、位时钟(BCK)和声道时钟(LRCK)，其工作时序如图3所示。
其中，各时钟频率由采样频率(/s)决定
=力
本发明中，采样频率/5为96KHz，声道频率/^^为96KHz，位时钟/3^为 6.144MHz，系统时钟力CK为24.576MHz。本模块采用一个50MHz的时钟信号，通过 分频生成以上各个时钟。实际生成的^c《为25MHz， 为6.25MHz， /i/^和/s为 97.7KHz。以上选择是基于选用的模-数和数-模转换芯片特性决定的，兼顾音频信号的 质量以及系统的处理速度，是经过反复实验，最终获得的最佳配合点。
(2) 串/并转换模块
串/并转换模块负责将PCM4204输入的串行PCM编码转换为并行数据，送入交换 矩阵模块进行处理。本模块通过一个移位寄存器来存储串行数据，根据声道时钟 (LRCK)的动作来控制并行输出。(3) 交换矩阵模块
以mXn交换矩阵为例，交换矩阵模块的工作原理是一个m转mXn的分配器， 将每一路输入分配为n路，分别送入每一路输出的混合模块中。其原理图如图4所示。
(4) 混合模块
该模块由数据缓冲寄存器和加法器两部分组成，如图5所示。输入缓存读取控制 端口的状态，然后判断各个输入是否有效，即是否送入到输出端口。若某输入端口有 效，则将该端口数据直接送入加法器；若无效则送出数据0。加法器完成16个24bit 二进制数据的加法，当结果大于0xFFFF时输出0xFFFF，小于OxFFFF时输出原加法 结果。
(5) 并/串转换模块
该模块负责将混合模块输出的24bit并行数据转化为PCM1681能够接收的串行 PCM编码。模块内部通过一个移位寄存器产生串行输出，根据声道时钟(LRCK)的 动作判断读取并行输入。
(6) 矩阵控制模块
该模块的功能为接收外部控制单元的命令，控制矩阵实现转接操作。 以16X16矩阵为例
FPGA保留10个GPIO作为使能控制端口 ，具体定义见表1: 表h
ENOutputInputK
XX X X XX X X XX
EN (使能信号)lbit，上升沿触发FPGA读取控制端口数据；
Output (输出端口选择)4bit，选择0-15号端口；
Input (输入端口选择)4bit，选择0-15号端口；
K (连接状态选择)lbit， l表示接通，0表示断开。
使用时，先选择需要进行操作的输入和输出端口以及操作状态，然后向EN输入 高电平，触发控制电路进行工作，将选择的输入与输出信号相连接或断开。例如 Output = 0010;选择0ut—2 Input = 0001;选择In_l
K = 1;连接
EN = 1;触发读取动作，将0ut_2与In_l连接 Output = 0110;选择0ut一6 Input = 0011;选择In—3K = 0;断开
EN = 1;触发读取动作，将0ut_6与In_3断开
模块内部建立16组16bit寄存器，形成一个矩阵表。其中，每组寄存器代表输出 端口，该组中的每个bit代表对应的输入端口，表中的元素代表相应的输入与输出之 间的连接关系，0表示断开，l表示连接。
本发明中，使用音量控制芯片来实现A和化.，使用FPGA来实现矩阵N和多路加 法器，系统信号流程图如图6所示。图中的乘法器使用音量控制芯片来实现，模-数和 数-模转换由专用芯片来实现，虚线框内的部分都由FPGA来实现，包括并-串转换、mxn 开关矩阵、加法器和并、串转换。信号的交换和混合由开关矩阵结合加法器来实现， 其中加法器m个输入端，l个输出端，输出结果为m个输入的相加和。首先将n个输 入信号中的每一路分配为m路，分别送入m个加法器中。这样将n路输入分配为mxn 路，再由mxn个开关来控制输入信号的流向。若 =1，即该开关导通，输入i交换到 输出j，将第i路信号数值送入第j路的加法器的第i个输入端；若 =0，即该开关断 开，输入i不交换到输出j，将第j路加法器的第i个输入端置零。加法器将所有输入 端口的数据相加，得出最终混合结果。由此完成信号的交换和混合。
本发明提供了一种多路输入音频混合交换方法的思路及方法，具体实现该技术方 案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润 饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均 可用现有技术加以实现。
权利要求
1、一种多路输入音频混合交换方法，其特征在于，包括以下步骤步骤(1)，将信源输入的多路音频信号送入输入音量调节模块进行输入音量调节；步骤(2)，将所述信号送入模-数转换模块将模拟音频信号转换为数字音频信号；步骤(3)，将信号送入音频信号处理模块对各路信号进行交换、混合；步骤(4)，将信号送入数-模转换模块将数字音频信号转换为模拟音频信号；步骤(5)，将信号送入输出音量调节模块进行输出音量调节；步骤(6)，将模拟音频信号输出到信宿；其中步骤(3)中，所述对各路信号进行交换、混合包括以下部分步骤(a)，通过矩阵控制信号交换、混合，其中nij＝0，1其中最终的输出结果yi′为yi＝bi(ni1a1x1+ni2a2x2+ni3a3x3+…+ninanxn)；元素ai代表第i路输入信号的音量参数；元素bj代表第j路输出信号的音量参数；步骤(b)，若nij＝1，即该开关导通，输入i交换到输出j，将第i路信号数值送入第j路的加法器的第i个输入端；步骤(c)，若nij＝0，即该开关断开，输入i不交换到输出j，将第j路加法器的第i个输入端置零步骤(d)，将n个输入信号中的每一路分配为m路，分别送入m个加法器中；步骤(e)，加法器将所有输入端口的数据相加，得出最终混合结果。
2、 根据权利要求1所述的一种多路输入音频混合交换方法，其特征在于，所述输 入音量调节模块为PGA4311音量控制芯片。
3、 根据权利要求1所述的一种多路输入音频混合交换方法，其特征在于，所述模 -数转换模块为PCM4204四通道音频模数转换芯片。
4、 根据权利要求1所述的一种多路输入音频混合交换方法，其特征在于，所述数 模转换及输出音量调节模块为PCM1681八通道音频数模转换芯片，所述数字音频信号 的传输格式采用24bit左对齐串行PCM编码。
5、 根据权利要求l所述的一种多路输入音频混合交换方法，其特征在于，所述音 频信号处理模块为FPGA现场可编程门阵列。
全文摘要
本发明公开了一种多路输入音频混合交换方法，包括以下步骤将信源输入的多路音频信号送入输入音量调节模块进行输入音量调节；将所述信号送入模-数转换模块将模拟音频信号转换为数字音频信号；将信号送入音频信号处理模块对各路信号进行交换、混合；将信号送入数-模转换模块将数字音频信号转换为模拟音频信号；将信号送入输出音量调节模块进行输出音量调节；将模拟音频信号输出到信宿。本发明的优点在于将模拟音频信号转化为数字音频信号进行处理，同时实现了信号的交换与混合；采用FPGA器件，可以根据实际需求设计交换容量，实现多路音频信号交换，如16×16、32×32等，容量上限视使用的FPGA芯片的逻辑单元数量而定。
文档编号H04S7/00GK101546558SQ20091002674
公开日2009年9月30日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者扬 刘 申请人:南京莱斯信息技术股份有限公司