課程設(shè)計(jì)（論文）基于DSP的實(shí)時(shí)語音處理設(shè)計(jì)

1、摘要：基于tms320vc5402的音頻信號采集與處理系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體方案和硬軟件設(shè)計(jì)。討論了模/數(shù)(a/d)和數(shù)/模(d/a)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方法以及如何利用tms320vc5402的多通道緩沖同步串口(mcbsp)和pcm1800及pcm1744芯片接口來實(shí)現(xiàn)音頻信號的采集和輸出。通過改變輸入輸出壓縮比例自動(dòng)控制增益的幅度，擴(kuò)大了接收機(jī)的接受范圍，它能夠在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化，不至于因?yàn)檩斎胄盘柼《鵁o法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胍驗(yàn)檩斎胄盘柼蠖菇邮諜C(jī)發(fā)生飽和或阻塞。實(shí)驗(yàn)證明：所設(shè)計(jì)的基于dsp的硬件和軟件系統(tǒng)是一個(gè)很好的音頻信號采

2、集與處理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：dsp , tms320vc5402 , 多通道緩沖同步串口, 音頻信號, 采集與處理緒言近年來，隨著dsp技術(shù)的普及和低價(jià)格、高性能dsp芯片的出現(xiàn)，dsp已越來越多地被廣大的工程師所接受，并越來越廣泛地被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，例如：語音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等，并且已日益顯示出其巨大的優(yōu)越性。dsp是利用專門或通用的數(shù)字信號處理芯片，以數(shù)字計(jì)算的方法對信號進(jìn)行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了對信號快速、精確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。對實(shí)時(shí)數(shù)字信號處理的應(yīng)用需求和超大規(guī)模集成電路技術(shù)水平的飛速發(fā)展，推動(dòng)著dsp性能不斷提

3、高。dsp是一種專用的數(shù)字信號處理器。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)上取得的突破進(jìn)展，高度集成化的dsp數(shù)字信號處理器具有體積小、功耗低和運(yùn)算速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此非常適用于語音信號的壓縮處理?；赿sp的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)，它具有可選擇的信號采樣速率和高性能的數(shù)字信號處理能力，不僅可以用來對立體音頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)編解碼處理，還可以用來作為高速的實(shí)時(shí)信號采集與處理板使用。它包括多路語音實(shí)時(shí)采集，壓縮處理，存儲(chǔ)功能等基本功能。根據(jù)設(shè)計(jì)要求中的要點(diǎn)，所要設(shè)計(jì)的基于dsp的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)功能是，它能同時(shí)輸入至少兩路音頻信號，而且能夠?qū)陕份斎胄盘栠M(jìn)行實(shí)時(shí)采集并將模擬信號數(shù)字化，然后對信號進(jìn)行數(shù)字信號處理，并

4、能夠根據(jù)要求存儲(chǔ)不少于10小時(shí)的錄音，最后輸出音頻信號。那么在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中，為滿足要求要有信號采集，模/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號處理部分，包括數(shù)據(jù)壓縮等，電源電路，復(fù)位電路，時(shí)鐘電路。信號特征分析音頻信號經(jīng)過高精度高速的adc轉(zhuǎn)換后得到一串?dāng)?shù)字信號，分幀輸入到波形輸入緩沖區(qū)ram。然后由手動(dòng)控制一種或幾種處理算法將音頻信號調(diào)入tms320c5402的內(nèi)部進(jìn)行高速運(yùn)算。經(jīng)過處理的音頻信號，再輸入到高精度高速的dac轉(zhuǎn)換器中，還原成模擬的聲音信號，經(jīng)音箱功率放大電路放大輸出。一、本設(shè)計(jì)的任務(wù)1.輸入信號為2路語音信號，要求系統(tǒng)能對2路輸入信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、數(shù)字化處理、壓縮、存儲(chǔ)（錄音），要保證一

5、定的錄音質(zhì)量，錄音時(shí)間不少于10小時(shí)。2.根據(jù)已知參數(shù)對輸入信號特征進(jìn)行分析、需求分析，選擇確定dsp芯片型號、語音采集芯片型號，完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。二、本設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖:高精度高速音頻信號adc波形輸入緩沖區(qū)ramtms320vc5402波形輸出緩沖區(qū)ram高精度高速音頻信號dac音頻處理程序存儲(chǔ)區(qū)eprom語音信號存儲(chǔ)器sdram電源復(fù)位電路音頻系統(tǒng)應(yīng)該具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，選擇1624位的adc和dac能完全捕獲或恢復(fù)高保真的音頻信號。系統(tǒng)的核心芯片(dsp)選用美國ti公司的tms320vc54021(以下簡稱c5402)。 2、 dsp芯片模塊是整個(gè)實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)的核心

6、部分，它對經(jīng)數(shù)字化的信號進(jìn)行壓縮，編解碼等。a/d轉(zhuǎn)換模塊功能是把模擬信號數(shù)字化，包括采集和量化，這部分為dsp處理語音數(shù)字信號做好了準(zhǔn)備；d/a轉(zhuǎn)換模塊就是把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬的信號，輸出音頻信號。sdram（動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器模塊主要是為dsp處理器擴(kuò)展存儲(chǔ)容量，達(dá)到要求的存儲(chǔ)容量；但要注意的是要與dsp處理器的速度相匹配，以便良好的運(yùn)行。電源模塊是為內(nèi)部芯片及周邊系統(tǒng)電路提供能量的部分。復(fù)位電路模塊3、dsp處理器：作為dsp家族高性價(jià)比代表的16位定點(diǎn)dsp芯片，c5402適用于語音通信等實(shí)時(shí)嵌入應(yīng)用場合。與其它c(diǎn)54x芯片一樣，c5402具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力。其

7、性能特點(diǎn)如下：操作速率可達(dá)100mips；具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，三條16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和一條程序存儲(chǔ)器總線；40位算術(shù)邏輯單元(alu)，包括一個(gè)40位桶形移位器和兩個(gè)40位累加器；一個(gè)1717乘法器和一個(gè)40位專用加法器，允許16位帶/不帶符號的乘法；整合維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度；單周期正規(guī)化及指數(shù)譯碼；8個(gè)輔助寄存器及一個(gè)軟件棧，允許使用業(yè)界最先進(jìn)的定點(diǎn)dsp c語言編譯器；數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g為1m16bit，內(nèi)置4k16bit rom和16k16bit ram；內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)(pll)時(shí)鐘產(chǎn)生器、兩個(gè)多通道緩沖串口、一個(gè)與外部處理器通信的8位并行hpi

8、口、兩個(gè)16位定時(shí)器以及6通道dma控制器且低功耗。與c54x系列的其它芯片相比，5402具有高性能、低功耗和低價(jià)格等特點(diǎn)。它采用6級流水線，且當(dāng)rpt(重復(fù)指令)時(shí)，一些多周期的指令就變成了單周期的指令；芯片內(nèi)部ram和rom可根據(jù)pmst寄存器中的ovly和drom位靈活設(shè)置。這些都有利于算法的優(yōu)化。 三、硬件設(shè)計(jì) 1、c5402采用3.3v和1.8v電源供電，其中i/o采用3.3v電源供電，芯片的核采用1.8v電源供電。而實(shí)際常用的只有5v電源，所以必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片。選用tps7301和tps7333兩塊電源轉(zhuǎn)換芯片(它們都是ti公司為配合dsp而設(shè)計(jì)的電源轉(zhuǎn)換芯片)，分別接上適當(dāng)?shù)?/p>

9、外圍電阻，構(gòu)成電阻分壓器，即可調(diào)整兩塊芯片的輸出電壓分別為3.3v和1.8v。a/d電路 pcm1800是雙聲道單片型20位adc，單+5v電源供電，信噪比為95db，動(dòng)態(tài)范圍為95db，其內(nèi)部嵌有高通濾波器，具有pcm音頻接口和四種數(shù)據(jù)格式，分為主控和受控兩種模式，采樣頻率可選為32khz、44.1khz和48khz。 2、 pcm1800構(gòu)成音頻信號采集系統(tǒng)時(shí)，主要涉及到bck(位時(shí)鐘信號)、lrck(采樣時(shí)鐘信號)、fsync(幀同步信號)、dout(數(shù)字信號輸出)、sysclk(系統(tǒng)時(shí)鐘輸入)這幾個(gè)對時(shí)序有要求的引腳。通過對引腳mode0和mode1進(jìn)行編程，可讓pcm1800工作于主

10、控模式(master mode)。此時(shí)，bck、lrck、fsync均作為輸出，其時(shí)序由pcm1800內(nèi)部的時(shí)鐘產(chǎn)生電路控制。但sysclk只能由外部提供(這里用c5402的tout腳輸出信號提供)。 pcm1800的系統(tǒng)時(shí)鐘只能是256fs、384fs或者512fs，這里fs是音頻信號采樣頻率。在主控模式時(shí)，fsync用來指明pcm1800的dout輸出的有效數(shù)據(jù)，它的上升沿表明一幀數(shù)據(jù)的起始，下降沿表明一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。fsync的頻率是采樣時(shí)鐘頻率lrck的2倍。在此模式下，位時(shí)鐘信號bck的頻率是采樣時(shí)鐘頻率lrck的64倍。 3、 通過對pcm1800的fmt0、fmt1兩引腳編程(f

11、mt01，fmt10)，可以設(shè)置pcm1800輸出的數(shù)據(jù)格式為20位的iis格式。為了保證在數(shù)據(jù)處理時(shí)不影響新數(shù)據(jù)的接收以及在接收數(shù)據(jù)時(shí)不中斷正在進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理過程，采用了多通道緩沖同步串口(mcbsp)。 pcm1800與c5402連接后，c5402使用緩沖串口0接收數(shù)據(jù)，各種同步信號由pcm1800產(chǎn)生，c5402是被動(dòng)接收各種信息。pcm1800與c5402的硬件接線圖如圖2所示。 pcm1800與c5402的硬件接線圖4、電源管理功能模塊所用器件: tps73hd301( 3.3-v/adjustable output,)該芯片一端輸入可調(diào),范圍是（1.2-9.7v）d/a電路pcm1

12、744是雙聲道立體聲dac，包含數(shù)字濾波器和輸出放大器，動(dòng)態(tài)范圍為95db，具有多種采樣頻率可選，最高可達(dá)96khz。采用24位的iis數(shù)據(jù)輸入格式。pcm1744的操作主要涉及到lrcin(采樣時(shí)鐘信號輸入)、bckin(位時(shí)鐘信號輸入)、scki(系統(tǒng)時(shí)鐘輸入)、din(數(shù)據(jù)輸入)這幾個(gè)對時(shí)序有要求的引腳。pcm1744與c5402連接后，c5402使用緩沖串口1發(fā)送數(shù)據(jù)，各種時(shí)鐘信號均由c5402產(chǎn)生，pcm1744被動(dòng)接收各種信息。pcm1744的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(scki)由c5402的tout引腳提供，tout是c5402的定時(shí)器輸出信號引腳，有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)芯片。pcm

13、1744的數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘格式必須是iis格式，c5402在緩沖串口寄存器中設(shè)置各種時(shí)鐘方式時(shí)，必須滿足iis格式的要求。c5402作為主動(dòng)工作器件，可以對其緩沖串口輸出信號進(jìn)行調(diào)整。輸出的采樣時(shí)鐘信號、位時(shí)鐘信號可以在mcbsp寄存器srgr1和srgr2中設(shè)置，設(shè)置遵循圖3的原則。 c5402時(shí)鐘發(fā)生流程圖基本的時(shí)鐘信號可以來自cpu時(shí)鐘，也可以來自晶振時(shí)鐘，這在srgr2寄存器中的第13位設(shè)置?；緯r(shí)鐘輸入后，經(jīng)clkgdv(srgr1的第7位到第0位)所設(shè)置的值進(jìn)行第一次分頻，得到位時(shí)鐘信號(由bclkx1腳輸出)。值得注意的是，位時(shí)鐘信號最高為dsp頻率的一半。位時(shí)鐘信號經(jīng)fper(sr

14、gr2的第11位到第0位)和fwid(srgr1的第15位到第8位)所設(shè)置的值進(jìn)一步分頻得到采樣時(shí)鐘信號(由bfsx1腳輸出)，fper和fwid分別設(shè)置采樣時(shí)鐘信號的低電平和高電平的時(shí)間值。c5402與pcm1744的硬件接線如圖4所示。pcm1744與c5402接線圖pcm1800完成音頻信號采集后，在dsp的外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器中嵌入相應(yīng)的處理算法，語音信號經(jīng)處理后，再從pcm1744輸出。復(fù)位電路:所用芯片為74hc14 存儲(chǔ)器模塊：所用芯片為mt48lc8m8a2tg-75存儲(chǔ)容量density 為64mb數(shù)據(jù)寬度16位 工作電壓 3.3v tsop封裝 54管腳 時(shí)鐘速率133 mhz

15、四、軟件設(shè)計(jì)1、在本課程設(shè)計(jì)中的一些主要的程序語音的采集濾波與放大int din21=0,mout21=0; /定義din moutchar dout ;char hn21=0.05;int read_bsp1(void);void write_bsp1(int);void led_light(void);int agc_audio(int);/ main programvoid main() init_board(); while (1) int i,j; dout=0; for (i=0;i21 ;i+) dini=read_bsp1(); mouti=agc_audio(dini); /

16、將采集大信號放大 for(j=0;jmaxarrin) /如果輸入信號大于臨時(shí)正峰值maxarrinmaxarrin=agc_in; /則更新臨時(shí)峰值if(-1*agc_inmaxarrin) /早果輸入信號大于臨時(shí)負(fù)峰值maxarrinmaxarrin=-1*agc_in; /則更新臨時(shí)峰值if(dtime4096) /每隔4096個(gè)時(shí)鐘修改一次長期峰值maxagc_in=maxarrin; /則更新長期峰值maxarrin=0; /并重新捕捉臨時(shí)峰值dtime=0; /重新開始計(jì)時(shí)dtime+;if(agc_in maxagc_in) /及時(shí)檢測長期正峰值勤maxagc_in=agc_in

17、; /及時(shí)更新長期正峰值if(maxagc_in10) /如果輸入信號大于1agc_coff=500.0/(maxagc_in+100); /按信號幅度成反比關(guān)系計(jì)算放大系數(shù)if(-1*agc_in)maxagc_in) /及時(shí)檢測長期正峰值勤maxagc_in=-1*agc_in; /及時(shí)更新長期負(fù)峰值if(maxagc_in10) /如果輸入信號大于-1agc_coff=500.0/(maxagc_in+100); /按信號幅度成反比關(guān)系計(jì)算放大系數(shù)if(maxagc_in20000) /對放大后的信號進(jìn)行限幅agc_out=20000; /如果信號幅度超過2000則用2000表示if(a

18、gc_out-20000)agc_out=-20000;return agc_out; /返回放大后的信號，即agc_audio(din)=agc_out濾波器放大設(shè)計(jì) 五、系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析(1)調(diào)試步驟： 測試電源電壓 測試dsp芯片的輸出頻率 對硬件系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真 對dsp外圍硬件調(diào)試 模數(shù)接口的調(diào)試 (2)軟件調(diào)試 dsp系統(tǒng)的軟件調(diào)試主要是在仿真器上進(jìn)行。為了提高程序的效率，編寫系統(tǒng)軟件可采用三種不同的方法，即用匯編語言編寫、c語言編寫以及c與匯編的混合語言編寫。 軟件調(diào)試時(shí)，可以通過比較c程序的模擬結(jié)果與匯編程序的結(jié)果來實(shí)現(xiàn)。通常，兩種結(jié)果應(yīng)完全一致。 (3)系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的初始化主要有以下幾項(xiàng)工作： 中斷矢量的重定位 工作時(shí)鐘設(shè)置 等待狀態(tài)數(shù)的設(shè)置 中斷設(shè)置 其他設(shè)置 (4)結(jié)果分析最后試聽出來大致效果良好,能夠?qū)⒉杉降恼Z音進(jìn)