音频交换混合矩阵设计与实现.
基于FPGA的音频交换混合矩阵设计与实现
关 键 词 ： Ｐ Ａ； Ｆ Ｇ 交换混合 ； 阵 矩
中图分 类号 ： Ｎ １ ． Ｔ ９ ２３
文 献标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：０பைடு நூலகம்５— ４ ０ ２ １ ） ２— ２ ５－ ５ １０ ９９ （００ ０ ０ ３ ０
音频交换混合矩 阵是各种会议 、 演播 、 指挥 系统 的 核心设备 ， 接不 同的音频 输人 、 出设 备 ， 连 输 实现 音 频 的交换及 混合功能 ， 实现音频信号的控制与调度 。 并 传统 的音 频矩 阵 通 常基 于 模 拟 开关 电路设 计 ， 设计 复杂 ， 现难度 较大 ， 实 不适 合构 建 中大规模 交 换 矩 阵 。而且 ， 多数 矩 阵 不 具备 音 量 调 节 及 信 号 混 大 合功 能 ， 要配合 调音 台、 需 信号 混合器 设 备使用 。
Ｔ ｉ ｍ ｔｘｈｓｂ ｅ ｓｄｉ ｓｖｒｌ ｒ ｅ ｔ ｈｓ ａ ｉ ａ ｅｎｕｅ ｎ ｅｅａ ｐｏ ｃ ． ｒ ｊ ｓ
Ｋ ｅ ｒ ｓ： Ｆ ｙ ｗｏ ｄ ＰＧＡ ；ｓ ｔ ｈ； ｍｉ ａｒｘ ｗｉｃ ｘ ｍ ｔｉ
ＥＥＡＣＣ ：７ ０Ｃ ８１
基 于 Ｆ Ｇ 的 音 频 交 换 混 合 矩 阵 设 计 与 实 现 ＰＡ
本 文 提 出 一 种 基 于 Ｆ Ｇ Ｆｅ ｒｇａ ａ ｌ Ｐ Ａ（ ｉｌ Ｐｏ ｒ ｄ ｍｍ ｂｅ
１ 音频 交换 混合 矩 阵 的数 学模 型
音频分离的技巧
音频分离的技巧
音频分离是指从混合音频中提取出不同音频源的过程。
以下是一些常用的音频分离技巧：
1. 盲源分离（Blind Source Separation，BSS）：通过对混合音频进行矩阵运算和信号处理技术，提取出音频源。
常用的BSS技术包括独立成分分析（Independent Component Analysis，ICA）和非负矩阵分解（Non-Negative Matrix Factorization，NMF）。
2. 时频分析：通过对音频信号进行时频分析，如短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform，STFT），可以提取出音频信号在不同时间和频率上的特征，从而实现音频分离。
3. 基于机器学习的方法：使用机器学习算法，如深度神经网络（Deep Neural Networks，DNN）和卷积神经网络（Convolutional Neural Networks，CNN），通过训练模型来学习音频分离的过程。
4. 空间滤波技术：基于阵列麦克风或其他多个音源的位置信息，通过将混合音频信号与滤波器的组合进行处理，实现音频分离。
5. 监督学习方法：通过使用已知的单个源音频和混合音频作为训练样本，使用监督学习算法来提取出和训练音频样本相似的音频源。
需要注意的是，音频分离技术的选择取决于具体的应用场景和要求，不同的技巧可能适用于不同的情况。
矩阵操作说明书
矩阵操作说明书(总2页) -CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除一、高清混合矩阵切换器（HDMI）原理矩阵的接口分为信号输入\输出接口，INPUT 部分为信号输入端，OUTPUT部分为信号输出端。
将信号源（如电脑、DVD机）设备的输出端接入矩阵输入端（INPUT），将矩阵输出端（OUTPUT）接至信号使用设备（如投影机、电视机）的输入接口。
主要按键1、Cancel键（取消键）在任何页面按“Cancel”都会回到待机画面状态。
2、ENTER键（确认键）相当于电脑的回车键，表示进入、确认3、VIDEO键（视频键）视频切换模式按钮4、AUDIO键（音频键）音频切换模式按钮5、AV键（音视频键）音视频同步切换模式按钮6、ALL：所有按钮，输入端口对所有输出端口时使用7、SWITCH切换键按Switch 键进入切换菜单，多次按此键，可以在VIDEO、AUDIO、AV模式切换。
7.1 AV SWITCH，音视频同时切换。
在这个状态下，用数字键输入输入通道号和输出通道号，然后按OK（Enter）键，实现切换7.2 VIDEO SWITCH，只切换视频，而不切换音频7.3 AUDIO SWITCH，只切换音频，而不切换视频7.4 AV TO ALL，把某路输入音视频同时切换到所有输出7.5 AV N TO N，进行一对一切换，1到1,2到2,3到3，······n到n其它按键（选择了解）POWER：电源指示灯 RUN：矩阵工作指示灯 IR：红外遥控接收头窗口SAVE：模式保存按钮 MODE：模式调用按钮 ALL：所有按钮，输入端口对所有输出端口时使用 F1：自定义键（默认一一对应） FUN键（功能键）：进入功能菜单，多次按此键可以在对应功能间切换。
操作步骤1、通过HDMI接口，将笔记本（信号源）与一号桌插相连。
S-mix无缝切换矩阵说明书
为确保设备可靠，使用及人员的安全，在安装、使用和维护时，请遵守以下事项：
请注意机箱接地良好
设备通电前，需要检查确保机箱接地良好，以防止机壳产生静电放电而危及设备和 人身安全，并起到良好的屏蔽效果。
� � �
不要将系统设备置于过冷或过热的地方。 设备电源在工作时会发热， 因此要保持工作环境的良好通风， 以免温度过高而损坏设备。 阴雨潮湿天气或长时间不使用时，应关闭电源总闸。 非专业人士未经许可，请不要试图拆开设备机箱，不要私自维修，以免发生意外 事故或加重设备的损坏程度。
图三 切换界面---输入端口
图四 切换界面---输出端口
如按照图三和图四的操作，可以实现将输入通道 1 切换到输出通道 1，2，11，12，18。
5.4 通讯端口定义
矩阵提供标准串行通讯端口、LAN 网络控制口，除了可以利用液晶触控方式进行切 换操作外，还允许用户使用各种控制系统（如个人电脑、其他控制系统）进行控制或通过以 太网进行远程控制。可用串口直连线与电脑串口连接，安装好应用软件后，即可利用电脑对 矩阵进行控制。 用户可使用矩阵附带的应用软件作为电脑控制软件， 也可以自行编写控制软 件，详情可参考“矩阵RS232 通讯协议及控制代码” 。S-Mix和电脑连接时需要使用交叉性 RS232线缆。
�
不要将任何化学品或液体洒在设备上或其附近。
一、 二、 三、 四、 五、 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5
产品简介...........................................................................................................................3 产品指标...........................................................................................................................3 规格指标...........................................................................................................................4 标配清单...........................................................................................................................4 设备操作及功能说明.......................................................................................................5 设备操作.......................................................................................................................5 混合矩阵切换系统应用............................................................................................... 5 S-MIX 矩阵切换说明...................................................................................................6 通讯端口定义............................................................................................................... 8 矩阵 PC 软件使用方法............................................................................................... 8 A. B. 串口 RS232 控制矩阵操作步骤............................................................................. 9 LAN 口控制矩阵操作步骤....................................................................................12
音视频矩阵教案
音视频矩阵教案教案标题：音视频矩阵教案教学目标：1. 了解音视频矩阵的基本概念和原理。
2. 掌握音视频矩阵的使用方法和操作技巧。
3. 能够运用音视频矩阵解决实际音视频信号切换和分配问题。
教学重点：1. 音视频矩阵的基本概念和原理。
2. 音视频矩阵的使用方法和操作技巧。
教学难点：1. 运用音视频矩阵解决实际音视频信号切换和分配问题。
教学准备：1. 音视频矩阵设备及相关配件。
2. 幻灯片或教学演示工具。
3. 实际音视频设备（如电视、投影仪、音响等）。
教学过程：步骤一：引入（5分钟）- 向学生介绍音视频矩阵的概念和作用，解释为什么需要使用音视频矩阵。
步骤二：讲解音视频矩阵的原理和功能（15分钟）- 使用幻灯片或教学演示工具，详细介绍音视频矩阵的原理和不同输入输出接口的作用。
- 解释音视频矩阵的功能，包括音视频信号切换、分配和扩展等。
步骤三：演示音视频矩阵的使用方法（20分钟）- 展示实际的音视频矩阵设备，并演示如何进行输入源和输出设备的连接。
- 演示音视频信号的切换和分配操作，让学生了解如何通过音视频矩阵实现不同输入信号的切换和分配到不同输出设备。
步骤四：实践操作（30分钟）- 将学生分成小组，每个小组配备一套音视频矩阵设备和相关音视频设备。
- 要求学生通过实践操作，利用音视频矩阵解决一些实际的音视频信号切换和分配问题。
- 鼓励学生在实践中发现问题并尝试解决，引导他们思考如何灵活运用音视频矩阵来满足不同需求。
步骤五：总结和评价（10分钟）- 对学生进行总结，回顾音视频矩阵的基本概念、原理和使用方法。
- 鼓励学生分享实践操作中的体会和问题，并进行讨论和解答。
- 对学生的实践操作进行评价，给予肯定和建议。
教学延伸：1. 鼓励学生深入了解音视频矩阵的高级功能和应用领域，如多画面显示、音视频混合等。
2. 引导学生探索音视频矩阵在不同场景下的应用，如会议室、教室、演播厅等。
教学资源：1. 幻灯片或教学演示工具。
VGA AV RGB 视频 音频 混合矩阵使用手册
目录矩阵系统描述：：...............................................................................２一.矩阵系统描述1.1矩阵系统功能说明.....................................................................２1.2矩阵系统系列.............................................................................２1.3矩阵系统系列.............................................................................３矩阵安装说明：：.............................................................................３二、矩阵安装说明2.1矩阵面板及接口：.....................................................................３2.2串口通讯端口及连线方法.........................................................６三、矩阵的控制方式说明.....................................................................６3.1面板按键输入操作方式:..........................................................６3.2遥控控制操作方式...................................................................８3.3后台终端软件操作...................................................................９：.........................................................................１２串口通讯协议：四、串口通讯协议五、矩阵设备电气设计参数.............................................................１４六、常见故障及维护.........................................................................１７一.矩阵系统描述矩阵系统描述：：1.1 1.1 矩阵系统功能说明矩阵系统功能说明矩阵系统功能说明广州明控矩阵切换系统,是全交叉高性能的设备，应用于信号切换。
well(韦尔)多格式混合矩阵
序号一：概述Well（韦尔）多格式混合矩阵是一种用于多媒体数据处理和分析的矩阵格式。
它能够处理包括音频、视瓶、图像等在内的多种数据类型，并提供了一种统一的数据表示方法。
这种矩阵格式在数字图像处理、语音识别、视瓶编解码等领域有着广泛的应用，为实现多媒体数据的高效处理和分析提供了重要的工具。
序号二：Well矩阵的基本结构Well多格式混合矩阵是一个多维的数据结构，它由一系列矩阵组成，每个矩阵代表一个特定的数据类型。
这些矩阵可以是二维的，也可以是三维的，甚至更高维的。
每个矩阵都有对应的数据类型，例如音频数据的矩阵可以表示为一个浮点数矩阵，图像数据的矩阵可以表示为一个整数矩阵等。
这种多格式混合的结构使得Well矩阵能够灵活地处理各种不同类型的数据。
序号三：Well矩阵的特点1. 多格式混合：Well矩阵能够同时处理多种不同类型的数据，例如音频、视瓶、图像等。
这使得它在处理多媒体数据时有着独特的优势。
2. 统一表示：Well矩阵提供了一种统一的数据表示方法，不同类型的数据都可以被表示为矩阵形式，这极大地方便了数据的处理和分析。
3. 高效性能：Well矩阵在处理多媒体数据时有着优秀的性能，它能够高效地对数据进行存储、计算和分析，使得在实际应用中能够得到较高的效果。
序号四：Well矩阵的应用领域1. 数字图像处理：在数字图像处理领域，Well矩阵可以用于表示和处理图像数据，例如进行图像的分割、滤波、变换等操作。
2. 语音识别：在语音识别领域，Well矩阵可以用于表示和处理音频数据，例如进行语音的特征提取、模式识别等操作。
3. 视瓶编解码：在视瓶编解码领域，Well矩阵可以用于表示和处理视瓶数据，例如进行视瓶的压缩、解码等操作。
序号五：Well矩阵的未来发展随着多媒体数据的不断增多和发展，对于多媒体数据的高效处理和分析需求也在不断增加。
Well矩阵作为一种能够统一表示和处理多媒体数据的数据结构，将会在未来得到更广泛的应用。
Pro Max数字混合插卡拼接矩阵
Pro Max数字混合插卡拼接矩阵产品概述：PRO-MAX系列混合拼接矩阵切换器是一款配置灵活的拼接与无缝矩阵信号切换器。
采用高性能的硬件设计，完美支持各类高清晰数字/模拟信号切换处理，为各行业的多种视频及控制信号分配切换处理提供一站式解决方案，可广泛应用于广播电视工程、多媒体会议厅、大屏幕显示工程、电视教学、智能交通管理中心、指挥控制中心等场所。
PRO-MAX系列混合拼接矩阵切换器包含0808、1616、3636、7272、144144、288288等型号切换器，它的信号输入输出接口包括HDMI、DVI、VGA、HDBaseT、SDI、光纤等视频接口。
领先的全数字信号处理技术可保证信号无失真处理，将最优质的画面送至显示终端。
通过定制配置各类相同或不同的输入输出卡可以组成单一接口类型或多接口类型的矩阵，如光纤矩阵，HDMI矩阵，DVI矩阵，CAT5矩阵，VGA矩阵，YUV矩阵，Video矩阵等。
PRO-MAX系列混合拼接矩阵切换器提供多种控制模式，具有遥控器操作，RS-485扩展键盘操作，还提供2路标准RS-232通讯接口和网络端口，方便用户与各种远端控制设备配合使用。
功能特点：全数字化切换，每种输出卡都能实现真正实时的无缝切换；支持1080p分辨率；支持DVI 1.0协议，符合HDCP1.3标准，兼容HDMI 1.3a；支持热插拔，支持音视频信号一起切换,支持音频AUTO DELAY；DVI-D接口，3.5mm音频座, 支持模拟音频输入；支持EDID读取，PC软件控制切换与EDID管理；控制方式灵活，具有红外遥控，RS485，RS-232通讯接口和网络端口；支持固件在线升级；支持智能控制矩阵风扇的运行；插卡式结构设计，可灵活配置输入输出信号类型及信号通道数。
输出板卡支持自定义分辨率；HDMI、DVI前驱35m；输入端口字幕设置功能；最大支持分辨率：HDPC：1920x1200P@60；HDTV：1920x1080P@60。
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音频交换混合矩阵设计与实现
音频交换混合矩阵是各种会议、演播、指挥系统的核心设备，连接不同的音频输入、输出设备，实现音频的交换及混合功能，并实现音频信号的控制与调度。
传统的音频矩阵通常基于模拟开关电路设计，设计复杂，实现难度较大，不适合构建中大规模交换矩阵。
而且，大多数矩阵不具备音量调节及信号混合功能，需要配合调音台、信号混合器设备使用。
本文提出一种基于FPGA ( Field ProgrammableGate Array)的音频交换混合矩阵的设计方案。
该方案以交换技术原理为基础，采用数字音频信号采样及处理技术，构建交换混合矩阵，实现了16 ×16路音频信号的交换、混合;设计及实现难度小，且可根据系统需求裁减或增加系统交换容量、设置音频信号采样精度及采样速率;每路输入、输出信号的音量可以独立进行控制;还具有输入输出延时低、信道间隔离度高、音质好的特点。
1 音频交换混合矩阵的数学模型
1. 1 交换系统原理
交换技术源于电话通信，其基本任务就是在大规模网络中实现各用户之间信息的端到端的有效传递。
交换技术的原理就是通过设置好的路径，将源端的数据可控地发往目的端。
对于音频系统，交换即指将音频信号从输入端经过一系列节点转发到输出端。
1. 2 交换混合矩阵数学模型
基于2. 1所述交换技术原理，可构建交换系统的一般数学模型。
将多输入输出的交换系统抽象为一个矩阵P，其输入和输出信号抽象为两个向量( x，y) ，交换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:
其中pij ∈[0， 1 ]，代表输入与输出的对应关系。
n和m 分别代表输入和输出信号个数。
当n = 1时，该系统为单输入系统;当n > 1时，该系统为多输入系统。
当m = 1时，该系统为单输出系统;当m > 1时，该系统为多输出系统。
对于一个音频交换混合系统， pij即代表了某路输入与某路输出的对应关系，以及音量信息。
最终，单独的某路输出信号yj 可以表示为:
本方案的核心技术，是将多路模拟音频输入信号转换为数字输入向量，并构建数字交换混合矩阵，通过对矩阵的运算得到数字输出向量，并将输出向量转换为模拟音频输出信号，分配至各输出端口，最终实现音频交换混合矩阵。
在此，设向量A、B 分别为输入和输出音量控制向量，矩阵Q 为控制矩阵，则交换矩阵P变换为:
综上，构建起系统的最终数学模型为:
其中qji = 0， 1。
由式(4)可知，第j路输出的最终结果yj 为:
2 系统方案设计概述
2. 1 系统信号流程
根据式( 4)及式( 5) ，可构建出系统信号流程图，如图1所示。
图1 交换混合矩阵系统信号流程图。
ai 和bj 由音量控制芯片来实现，数/模及模/数转换分别由专用芯片来实现，矩阵Q 和多路加法器由FPGA来实现。
系统交换容量设定为16 ×16，即n = 16， m =16。
针对不同系统需求，可扩展或缩减交换容量。
2. 2 系统硬件设计
由系统信号流程图可知，系统总体的硬件模块由输入音量控制、数/模转换、交换混合矩阵、模/数转换、输出音量控制等组成。
系统总体硬件模块框图如图2所示。
图2 交换混合矩阵总体硬件模块结构框图。
输入音量控制芯片选用PGA4311，其增益调节范围为31. 5 dB～ - 95. 5 dB。
使用SPI总线对其进行控制。
输入模/数转换芯片选用PCM4204，该芯片采用IO接口控制工作模式和参数。
具体设置方式见文献。
输出数/模转换及音量控制芯片选用PCM1681，工作于从机方式，使用I2C 接口对其进行控制。
具体设置及使用方法见文献。
通过对模/数及数/模转换芯片的设置，可以根据系统需求调整数字音频信号的采样精度及频率。
本文所述方案实例的采样频率为97. 7 kHz，采样精度为24 bit，采用左对齐PCM编码方式传输，其传输时序图如图3所示。
图3 PCM编码传送时序(左对齐)。