如何实现音频信号检测的设计案例

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电平。不同类型的换能器将声音转换为电信号，将电信号转换为声音。音频信号频率范围大约为 20 Hz 至 20，000 Hz。

麦克风和扬声器等源会产生或接收音频信号，但信号也可能是白噪声或单音噪声。这些可能是由电路问题引起的，并且频率在音频范围内。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，以便将噪声和无信号与真实的音频信号（例如人类语音、音乐和自然声音）区分开来。

音频信号检测原理

人耳可以听到大约 20 Hz 到 20，000 Hz 范围内的频率。该范围可以包括单音，例如来自无线电系统的变压器嗡嗡声或白噪声。这并不是说这些声音在音频系统中是可取的。高水平的此类声音会损害听力。人类的语音、音乐和自然声音具有不同的频率，并且不断变化。因此，音频检测器应记录频率变化并根据这些变化选择有用的音频信号。

图1这是音频信号检测的工作原理。资料来源：Dialog Semiconductor

音频信号检测背后的基本理论如图 1所示。系统设计考虑了三个参考频率：100 Hz、500 Hz 和 3 kHz。对于给定的信号，系统会计算信号频率在一定时间内与参考频率相交的次数。只考虑从低频到高频的交叉；例如，50 Hz 到 150 Hz 将计算为 100 Hz，而 150 Hz 到 50 Hz 则不会。如果信号以最小次数穿过两个参考频率中的任何一个，则该设计将信号视为音频，如表 1 中所指定。

表 1检测音频信号的最小频率交叉；这些数字可以根据用户需要通过 I 2 C进行调整。来源：Dialog Semiconductor

图 1 中显示了三个示例信号：

三次跨越 3 kHz 的噪声（以黑色显示）。

不跨越任何频率的单音嗡嗡声（以红色显示）。

像语音或音乐一样变化的信号（以绿色显示）。它六次跨越 100 Hz，五次跨越 500 Hz，一次跨越 3 kHz。这条曲线跨越了所有三个参考频率，尽管设备没有检测到 3 kHz，因为它只跨越了一次；必须跨越2次以上才能检测，如表1所示。 设备检测500Hz（跨越5次；2为表1中的最小值）和100Hz（跨越6次；4为表1中的最小值） ）。由于它与两个参考信号交叉的次数足够多，因此该信号被检测为音频。

请注意，语音或音乐可能会有停顿。约翰·米尔顿·凯奇 （John Milton Cage Jr.） 有一首著名的作品，名为 4‘33”，在没有任何声音的情况下演奏。自然，该设计无法确定像音频这样长的停顿，尽管检测算法会忽略小于 5 秒的停顿。

最后，设计应该减少听不见的频率——小于 20 Hz 和大于 20 kHz。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。

检测装置实现

设计架构

该设备的架构如图 2所示，包含以下构建块：

模拟音频信号的量化。这将连续模拟值映射到双精度值。在这个过程之后需要知道的就是音频信号的频率。

高切滤波器。这会忽略高于 20 kHz 的频率。

低切滤波器。这会忽略低于 25 Hz 的频率。

频率交叉计数器。这根据表1计算一定时间段（测量时间）内信号频率和参考频率——高频、中频、低频——的交叉次数。

音频暂停。这会检测音频暂停并在少于 5 秒时忽略它们。

测量时间。进行计算的给定时间段。

D触发器（DFF）。这会存储测量期间的音频检测并将其输出到 PIN12 （AudioDetect）。

五分钟没有音频信号。这会检测音频信号的五分钟空闲时间，并在 PIN11 （FiveMinutesNoAudioSignal） 上设置高电平。

图 2设备架构图突出显示了主要构建块。资料来源：Dialog Semiconductor

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。PIN9 （AUDIO_IN-） 是参考电压 （500 mV）。考虑到音频信号为交流信号且IC为单电压供电，设计将输入音频信号偏置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，该信号由设计的其余部分处理。

图 3模拟部分代表音频信号源，包括模拟比较器和参考电压引脚。资料来源：Dialog Semiconductor

高切滤波器：延迟（8 位 CNT7/DLY7 （MF7））用于滤除高于 20 kHz 的频率（图 4）。设计工程师可以通过 I 2 C将 Counter Data 写入 0xA0 《1287:1280》 来调整频率的周期。

图 4高切滤波器采用延迟滤除高于 20 kHz 的频率。资料来源：Dialog Semiconductor

低切滤波器：图5所示的低切滤波器由两部分组成：

去毛刺过滤器。考虑到没有 CNT/DLY 块来过滤随机毛刺的事实，决定使用查找表（3 位 LUT8）、移位寄存器（SHR 13）和 DFF（ DFF12）。设计人员可以调整随机脉冲的时间，通过 I 2 C将 Counter Data 写入 0x69 《845:842》 。

低切滤波器由频率检测器 （CNT5/DLY5） 实现，可切断低于 25 Hz 的频率。设计者可以调整频率的切割周期，通过 I 2 C将 Counter Data 写入 0x94 《1191:1184》 。

图 5低切滤波器包括去毛刺滤波器和频率检测器。资料来源：Dialog Semiconductor

频率交叉计数器：此块由几个部分组成。第一部分是EDGE DET（图6）。它将双电平音频信号转换为一系列短脉冲，从而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的交叉，如表 2和图 7 所示。

图 6频率交叉计数器的第一部分将双电平音频信号转换为一系列短脉冲。资料来源：Dialog Semiconductor

表2频率检测时，可以通过I 2 C更新交叉频率。来源：Dialog Semiconductor

计数与参考频率的频率交叉数由移位寄存器（SHR7、SHR8、SHR9）执行。

图 7这是如何检测音频信号的当前频率与参考频率的交叉。资料来源：Dialog Semiconductor

音频暂停：音频暂停块是通过频率检测器实现的，如图 8和表 3 中突出显示的。该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。如果停顿时间超过 5 秒，则设计会将其检测为根本没有音频信号。

图 8音频暂停块是用频率检测器实现的。资料来源：Dialog Semiconductor

表 3音频暂停数据；交叉频率可以通过 I 2 C更新。来源：Dialog Semiconductor

测量时间：该设计计算特定时间的参考频率交叉次数，该时间由计数器控制，如图 9和表 4 中突出显示的那样。如果频率交叉计数器在测量期间未检测到音频信号（包括音频暂停），则设计会将其识别为无信号。

图 9测量时间块计算特定时间参考频率的交叉次数。资料来源：Dialog Semiconductor

表 4测量时间数据与参考频率的交叉次数有关。资料来源：Dialog Semiconductor

音频信号存在存储：音频信号存在存储由DFF0进行，如图2所示。信号设置使用P DLY—模式为边沿延迟—和LUT（3位LUT13）。

无音频信号：如果设计在约 5 分钟内未检测到任何音频信号，则它会在 PIN11 上设置高电平（FiveMinutesAudioPause）。这次计数是通过一个 LUT（3 位 LUT3）和一个延迟（CNT6/DLY6）进行的。该时间根据表5设置。

表5根据该信息进行无音频时间的计数。资料来源：Dialog Semiconductor

典型应用电路

图 10上图显示了一个典型的应用电路。资料来源：Dialog Semiconductor

硬件测试

通道 1（黄色，顶部）—PIN#10 （AUDIO_IN+）

通道 2（蓝色，底部）—PIN#12（音频检测）

示波器地接PIN9（AUDIO_IN-）

图 11波形显示了使用唱片播放进行的测试 （a） 和使用 FM 收音机调谐进行的测试 （b）。

音频检测器设计

本文介绍了采用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改变了一定次数，则设备将此信号识别为音频。该设计允许音频中的暂停。如果在五分钟内未识别到音频信号，则设备将 PIN11 设置为高电平。如果输入信号的电平相对较低，则此设计无法识别音频。