聲音可以用模擬或數(shù)字音頻信號(hào)來表示。模擬音頻信號(hào)使用電壓電平。不同類型的換能器將聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音。音頻信號(hào)頻率范圍大約為 20 Hz 至 20，000 Hz。

麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器等源會(huì)產(chǎn)生或接收音頻信號(hào)，但信號(hào)也可能是白噪聲或單音噪聲。這些可能是由電路問題引起的，并且頻率在音頻范圍內(nèi)。也可能根本沒有信號(hào)。在檢測(cè)音頻信號(hào)時(shí)必須考慮這些可能性，以便將噪聲和無信號(hào)與真實(shí)的音頻信號(hào)（例如人類語音、音樂和自然聲音）區(qū)分開來。

音頻信號(hào)檢測(cè)原理

人耳可以聽到大約 20 Hz 到 20，000 Hz 范圍內(nèi)的頻率。該范圍可以包括單音，例如來自無線電系統(tǒng)的變壓器嗡嗡聲或白噪聲。這并不是說這些聲音在音頻系統(tǒng)中是可取的。高水平的此類聲音會(huì)損害聽力。人類的語音、音樂和自然聲音具有不同的頻率，并且不斷變化。因此，音頻檢測(cè)器應(yīng)記錄頻率變化并根據(jù)這些變化選擇有用的音頻信號(hào)。

圖1這是音頻信號(hào)檢測(cè)的工作原理。資料來源：Dialog Semiconductor

音頻信號(hào)檢測(cè)背后的基本理論如圖 1所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮了三個(gè)參考頻率：100 Hz、500 Hz 和 3 kHz。對(duì)于給定的信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)算信號(hào)頻率在一定時(shí)間內(nèi)與參考頻率相交的次數(shù)。只考慮從低頻到高頻的交叉；例如，50 Hz 到 150 Hz 將計(jì)算為 100 Hz，而 150 Hz 到 50 Hz 則不會(huì)。如果信號(hào)以最小次數(shù)穿過兩個(gè)參考頻率中的任何一個(gè)，則該設(shè)計(jì)將信號(hào)視為音頻，如表 1 中所指定。

表 1檢測(cè)音頻信號(hào)的最小頻率交叉；這些數(shù)字可以根據(jù)用戶需要通過 I 2 C進(jìn)行調(diào)整。來源：Dialog Semiconductor

圖 1 中顯示了三個(gè)示例信號(hào)：

三次跨越 3 kHz 的噪聲（以黑色顯示）。

不跨越任何頻率的單音嗡嗡聲（以紅色顯示）。

像語音或音樂一樣變化的信號(hào)（以綠色顯示）。它六次跨越 100 Hz，五次跨越 500 Hz，一次跨越 3 kHz。這條曲線跨越了所有三個(gè)參考頻率，盡管設(shè)備沒有檢測(cè)到 3 kHz，因?yàn)樗豢缭搅艘淮?；必須跨?次以上才能檢測(cè)，如表1所示。 設(shè)備檢測(cè)500Hz（跨越5次；2為表1中的最小值）和100Hz（跨越6次；4為表1中的最小值） ）。由于它與兩個(gè)參考信號(hào)交叉的次數(shù)足夠多，因此該信號(hào)被檢測(cè)為音頻。

請(qǐng)注意，語音或音樂可能會(huì)有停頓。約翰·米爾頓·凱奇 （John Milton Cage Jr.） 有一首著名的作品，名為 4‘33”，在沒有任何聲音的情況下演奏。自然，該設(shè)計(jì)無法確定像音頻這樣長的停頓，盡管檢測(cè)算法會(huì)忽略小于 5 秒的停頓。

最后，設(shè)計(jì)應(yīng)該減少聽不見的頻率——小于 20 Hz 和大于 20 kHz。我們將使用這些原理作為設(shè)計(jì)音頻信號(hào)檢測(cè)器的基礎(chǔ)，同時(shí)采用 SLG47502 可編程混合信號(hào)芯片。

檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)架構(gòu)

該設(shè)備的架構(gòu)如圖 2所示，包含以下構(gòu)建塊：

模擬音頻信號(hào)的量化。這將連續(xù)模擬值映射到雙精度值。在這個(gè)過程之后需要知道的就是音頻信號(hào)的頻率。

高切濾波器。這會(huì)忽略高于 20 kHz 的頻率。

低切濾波器。這會(huì)忽略低于 25 Hz 的頻率。

頻率交叉計(jì)數(shù)器。這根據(jù)表1計(jì)算一定時(shí)間段（測(cè)量時(shí)間）內(nèi)信號(hào)頻率和參考頻率——高頻、中頻、低頻——的交叉次數(shù)。

音頻暫停。這會(huì)檢測(cè)音頻暫停并在少于 5 秒時(shí)忽略它們。

測(cè)量時(shí)間。進(jìn)行計(jì)算的給定時(shí)間段。

D觸發(fā)器（DFF）。這會(huì)存儲(chǔ)測(cè)量期間的音頻檢測(cè)并將其輸出到 PIN12 （AudioDetect）。

五分鐘沒有音頻信號(hào)。這會(huì)檢測(cè)音頻信號(hào)的五分鐘空閑時(shí)間，并在 PIN11 （FiveMinutesNoAudioSignal） 上設(shè)置高電平。

圖 2設(shè)備架構(gòu)圖突出顯示了主要構(gòu)建塊。資料來源：Dialog Semiconductor

塊配置

模擬部分：音頻信號(hào)源應(yīng)連接到 PIN9 （AUDIO_IN-） 和 PIN10 （AUDIO_IN+）。PIN10 （AUDIO_IN+） 是模擬比較器 （ACMP） 的輸入。PIN9 （AUDIO_IN-） 是參考電壓 （500 mV）?？紤]到音頻信號(hào)為交流信號(hào)且IC為單電壓供電，設(shè)計(jì)將輸入音頻信號(hào)偏置500 mV以避免負(fù)電壓。之后，輸入音頻信號(hào)進(jìn)入 ACMP0H（圖 3）。ACMP0H 量化音頻信號(hào)，該信號(hào)由設(shè)計(jì)的其余部分處理。

圖 3模擬部分代表音頻信號(hào)源，包括模擬比較器和參考電壓引腳。資料來源：Dialog Semiconductor

高切濾波器：延遲（8 位 CNT7/DLY7 （MF7））用于濾除高于 20 kHz 的頻率（圖 4）。設(shè)計(jì)工程師可以通過 I 2 C將 Counter Data 寫入 0xA0 《1287:1280》 來調(diào)整頻率的周期。

圖 4高切濾波器采用延遲濾除高于 20 kHz 的頻率。資料來源：Dialog Semiconductor

低切濾波器：圖5所示的低切濾波器由兩部分組成：

去毛刺過濾器?？紤]到?jīng)]有 CNT/DLY 塊來過濾隨機(jī)毛刺的事實(shí)，決定使用查找表（3 位 LUT8）、移位寄存器（SHR 13）和 DFF（ DFF12）。設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整隨機(jī)脈沖的時(shí)間，通過 I 2 C將 Counter Data 寫入 0x69 《845:842》 。

低切濾波器由頻率檢測(cè)器 （CNT5/DLY5） 實(shí)現(xiàn)，可切斷低于 25 Hz 的頻率。設(shè)計(jì)者可以調(diào)整頻率的切割周期，通過 I 2 C將 Counter Data 寫入 0x94 《1191:1184》 。

圖 5低切濾波器包括去毛刺濾波器和頻率檢測(cè)器。資料來源：Dialog Semiconductor

頻率交叉計(jì)數(shù)器：此塊由幾個(gè)部分組成。第一部分是EDGE DET（圖6）。它將雙電平音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列短脈沖，從而保存當(dāng)前音頻信號(hào)的頻率。下一步是檢測(cè)音頻信號(hào)的當(dāng)前頻率與參考頻率的交叉，如表 2和圖 7 所示。

圖 6頻率交叉計(jì)數(shù)器的第一部分將雙電平音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為一系列短脈沖。資料來源：Dialog Semiconductor

表2頻率檢測(cè)時(shí)，可以通過I 2 C更新交叉頻率。來源：Dialog Semiconductor

計(jì)數(shù)與參考頻率的頻率交叉數(shù)由移位寄存器（SHR7、SHR8、SHR9）執(zhí)行。

圖 7這是如何檢測(cè)音頻信號(hào)的當(dāng)前頻率與參考頻率的交叉。資料來源：Dialog Semiconductor

音頻暫停：音頻暫停塊是通過頻率檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的，如圖 8和表 3 中突出顯示的。該塊檢測(cè)音頻信號(hào)的暫停，如果它小于 5 秒，則忽略。音頻信號(hào)被認(rèn)為是連續(xù)的。如果停頓時(shí)間超過 5 秒，則設(shè)計(jì)會(huì)將其檢測(cè)為根本沒有音頻信號(hào)。

圖 8音頻暫停塊是用頻率檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)的。資料來源：Dialog Semiconductor

表 3音頻暫停數(shù)據(jù)；交叉頻率可以通過 I 2 C更新。來源：Dialog Semiconductor

測(cè)量時(shí)間：該設(shè)計(jì)計(jì)算特定時(shí)間的參考頻率交叉次數(shù)，該時(shí)間由計(jì)數(shù)器控制，如圖 9和表 4 中突出顯示的那樣。如果頻率交叉計(jì)數(shù)器在測(cè)量期間未檢測(cè)到音頻信號(hào)（包括音頻暫停），則設(shè)計(jì)會(huì)將其識(shí)別為無信號(hào)。

圖 9測(cè)量時(shí)間塊計(jì)算特定時(shí)間參考頻率的交叉次數(shù)。資料來源：Dialog Semiconductor

表 4測(cè)量時(shí)間數(shù)據(jù)與參考頻率的交叉次數(shù)有關(guān)。資料來源：Dialog Semiconductor

音頻信號(hào)存在存儲(chǔ)：音頻信號(hào)存在存儲(chǔ)由DFF0進(jìn)行，如圖2所示。信號(hào)設(shè)置使用P DLY—模式為邊沿延遲—和LUT（3位LUT13）。

無音頻信號(hào)：如果設(shè)計(jì)在約 5 分鐘內(nèi)未檢測(cè)到任何音頻信號(hào)，則它會(huì)在 PIN11 上設(shè)置高電平（FiveMinutesAudioPause）。這次計(jì)數(shù)是通過一個(gè) LUT（3 位 LUT3）和一個(gè)延遲（CNT6/DLY6）進(jìn)行的。該時(shí)間根據(jù)表5設(shè)置。

表5根據(jù)該信息進(jìn)行無音頻時(shí)間的計(jì)數(shù)。資料來源：Dialog Semiconductor

典型應(yīng)用電路

圖 10上圖顯示了一個(gè)典型的應(yīng)用電路。資料來源：Dialog Semiconductor

硬件測(cè)試

通道 1（黃色，頂部）—PIN#10 （AUDIO_IN+）

通道 2（藍(lán)色，底部）—PIN#12（音頻檢測(cè)）

示波器地接PIN9（AUDIO_IN-）

圖 11波形顯示了使用唱片播放進(jìn)行的測(cè)試 （a） 和使用 FM 收音機(jī)調(diào)諧進(jìn)行的測(cè)試 （b）。

音頻檢測(cè)器設(shè)計(jì)

本文介紹了采用可編程混合信號(hào)芯片 SLG47502 的音頻檢測(cè)器的設(shè)計(jì)。所提出的方法基于音頻信號(hào)的變化頻率。如果輸入信號(hào)的頻率改變了一定次數(shù)，則設(shè)備將此信號(hào)識(shí)別為音頻。該設(shè)計(jì)允許音頻中的暫停。如果在五分鐘內(nèi)未識(shí)別到音頻信號(hào)，則設(shè)備將 PIN11 設(shè)置為高電平。如果輸入信號(hào)的電平相對(duì)較低，則此設(shè)計(jì)無法識(shí)別音頻。