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作者:Viacheslav Kolsun

这篇文章最初发表于地球上模拟．

介绍

声音可以用模拟或数字音频信号来表示。模拟音频信号使用电压等级。不同类型的传感器把声音转换成电信号，把电信号转换成声音。音频信号的频率范围大约是20到20000赫兹。像麦克风和扬声器这样的源产生或接收音频信号，但也有可能是白噪声或单音噪声。这可能是由电路问题引起的，其频率在音频范围内。也可能根本没有信号。在检测音频信号时必须考虑这些可能性，以便从真实的音频(如人类语言、音乐、自然声音)中区分噪声和无信号。

音频信号检测原理

人耳能听到的频率大约在20到20000赫兹之间。这个范围可以包括单音，如变压器嗡嗡声或无线电系统的白噪音。这并不是说这些声音在音频系统中是可取的，高分贝的这种声音会损害听力。人类语言、音乐和自然声音有不同的频率，并且不断变化。因此，音频检测器应该记录频率变化，并根据这些变化选择有用的音频信号。

此音频信号检测器的基本理论如下图所示图1．系统设计考虑三个参考频率:100hz, 500hz和3khz。对于给定的信号，系统计算信号的频率在某一段时间内越过参考频率的次数。只考虑从低到高的交叉频率(例如50赫兹到150赫兹将计算为100赫兹;150赫兹到50赫兹将不会)。该设计认为信号是音频，如果它跨越两个参考频率中的任何一个的最小次数，在表1．

有三个样本信号显示在图1：

一些噪音跨越3千赫三次(显示在黑色)。
一种不交叉任何频率的单音嗡嗡声(如图所示)。
一种像讲话或音乐一样变化的信号(用绿色表示)

它穿过100hz 6次，500hz 5次，3khz 1次。这条曲线跨越了所有三个参考频率，尽管设备不能检测到3 kHz，因为它只跨越了1次(它必须跨越2次或更多的检测，如表1所示)。2是最小值表1)和100hz(交叉6次;4是最小值表1）.由于它穿过两个参考信号足够多的次数，信号被检测为音频。

图1:音频信号检测

表1:检测音频信号的最小频率交叉

频率	数量的口岸	计算期
100赫兹	4	600毫秒
500赫兹	2	600毫秒
3千赫	2	600毫秒

注1这些数字可以通过I2C根据用户的需要进行调整。

注意，演讲或音乐可以有停顿。小约翰·米尔顿·凯奇有一首著名的曲子叫做《4分33秒》是在没有任何声音的情况下演奏的。当然，设计不应该像音频那样确定如此长的暂停，尽管小于5秒的暂停将被检测算法忽略。

最后，设计应该削减听不见的频率(少于20赫兹和超过20 kHz)。

我们将以这些原理为基础设计一个带有SLG47502的音频信号检测器。

设备实现

设计架构

该装置的架构显示在图2并包含以下区块:

模拟音频信号的量化。这将连续模拟值映射为双值。在这个过程之后需要知道的就是音频信号的频率。
高切过滤器。这忽略了高于20千赫的频率。
低切滤波器。这忽略了低于25hz的频率。
频率计数器。根据测量时间，计算一定时间内信号频率与参考频率(高频、中频、低频)的交叉次数表1．
音频暂停。这检测音频暂停和忽略他们，如果少于5秒。
测量时间。计算的给定时间。
DFF。在测量时间内存储音频检测，并将其输出到PIN12 (AudioDetect)。
五分钟没有音频信号。它检测音频信号的5分钟空闲时间，并在PIN11上设置一个高电平(FiveMinutesNoAudioSignal)。

图2:设计架构

块配置

模拟部分

音频信号源应连接到PIN9 (AUDIO_IN-)和PIN10 (AUDIO_IN+)。PIN10 (AUDIO_IN+)是模拟比较器(ACMP)的输入端。PIN9 (AUDIO_IN-)是一个参考电压(500mV)。考虑到音频信号为交替信号，集成电路为单电压供电，设计将输入音频信号偏差500mV，以避免负电压。之后，输入音频信号进入ACMP0H (图3）.ACMP0H对音频信号进行量化，这在设计的其余部分进行处理。

图3:模拟部分

高切滤波器

延时(8位CNT7/DLY7 (MF7))用于滤除高于20kHz的频率(图4）.客户可以通过I2C将Counter Data写入0xA0 <1287:1280>来调整频率周期。

图4:高切割滤波器

低切滤波器

低截止滤波器(图5)由两部分组成:

Deglitch过滤器。考虑到没有CNT/DLY块来过滤随机小故障的事实，决定实现一个带有查表(3位LUT8)、移位寄存器(SHR 13)和DFF (DFF12)的小故障滤波器。客户可以通过I2C将随机脉冲写入Counter Data的时间调整为0x69 <845:842>。
低切滤波器。这是通过频率检测器(CNT5/DLY5)实现的，它可以切断低于25Hz的频率。客户可以通过I2C将频率写Counter Data的切割周期调整为0x94 <1191:1184>。

图5:低切滤波器

穿越频率计数器

这个积木由几个部分组成。

第一部分是EDGE DET (图6）.它将双级音频信号转换为一系列短脉冲，以保存当前音频信号的频率。

下一步是检测音频信号的当前频率与参考频率(表2，图7）.

图6:频率穿越计数器

表2:用于频率检测的CNTDLYs

参数	频率	#的CNTDLY	访问地址	寄存器
高频交叉	~ 3千赫	CNT1 / DLY1	0 x7c	< 999:992 >
中频交叉	~ 500赫兹	CNT2 / DLY2	0 x82	< 1047:1040 >
低频交叉	~ 100赫兹	CNT3 / DLY3	0 x88	< 1095:1088 >

注2交叉频率可以通过I2C更新。

图7:频率检测

由移位寄存器(SHR7, SHR8, SHR9)计算与参考频率交叉的次数。

表3:计算交叉次数的移位寄存器

参数	移位寄存器#	访问地址	寄存器
高频交叉	月7日	0 x63	< 796:794 >
中频交叉	月8	0 x64	< 804:802 >
低频交叉	月9日	0 x65	< 812:810 >

注3交叉频率可以通过I2C更新。

音频信号识别由LUT(3位LUT3)定义。

音频暂停

音频暂停块是通过频率检测器(图8，表4）.此块检测音频信号的暂停，如果它小于5秒则忽略。音频信号被认为是连续的。如果暂停超过5秒，设计就会检测到根本没有音频信号。

图8:音频暂停块

表4:CNTDLY用于频率检测

参数	暂停时间	#的CNTDLY	访问地址	寄存器
音频暂停	~ 5 s	CNT4 / DLY4	0 x8e	< 1143:1136 >

注意4交叉频率可以通过I2C更新。

测量时间

该设计计算参考频率在特定时间的交叉次数，由计数器控制(图9，表5）.如果频率穿越计数器在测量时间内没有检测到音频信号(包括音频暂停)，该设计将其识别为无信号。

图9:测量时间块

表5:CNTDLY测量时间

参数	测量时间	#的CNTDLY	访问地址	寄存器
测量时间	~ 600毫秒	CNT0 / DLY0	MSB 0 x72	< 919:912 >
测量时间	~ 600毫秒	CNT0 / DLY0	LSB 0 x73	< 927:920 >

注5交叉频率可以通过I2C更新。

音频信号存在存储

音频信号存在存储由DFF0 (图2）.使用P DLY (Mode is Both edge delay)和LUT (3-bit LUT13)设置信号。

没有音频信号

如果设计在~5分钟内没有检测到任何音频信号，那么它在PIN11上设置一个高电平(FiveMinutesAudioPause)。计算这个时间是通过一个LUT(3位LUT3)和一个延迟(CNT6/DLY6)来实现的。这个时间是根据表6．

表6:CNTDLY无音频信号检测

参数	暂停时间	#的CNTDLY	访问地址	寄存器
没有音频信号	~ 5分钟	CNT6 / DLY6	0 x9a	< 1239:1232 >

注6交叉频率可以通过I2C更新。

典型应用电路

图10:典型应用电路

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-)

一)

图11波形(a -测试与录音播放;b - fm无线电调谐测试)

结论

应用说明介绍了一种基于SLG47502的音频检测器的设计。该方法基于音频信号频率的变化。如果输入信号的频率改变了一定次数，那么设备就会将这个信号识别为音频。该设计考虑到了音频中的停顿。如果五分钟内没有识别出音频信号，那么设备将PIN11设置为高电平(FiveMinutesAudioPause)。如果输入信号的电平相对较低，那么这个设计就不能识别音频。

AN-CM-319音频信号检测器

术语和定义

参考文献

介绍