麥克風陣列信號采集系統(tǒng)的設計

1、麥克風陣列信號采集系統(tǒng)的設計 作為傳統(tǒng)的語音拾取工具，單個孤立麥克風在噪聲處理、聲源定位和跟蹤，語音提取和分別等方面存在不足，嚴峻影響了語音通信質(zhì)量。假如用法多個麥克風組成陣列，在時頻域的基礎(chǔ)上增強一個空間域，對來自空間不同方向的信號舉行實時處理，就可以彌補上述不足?，F(xiàn)在已有的麥克風陣列采集處理系統(tǒng)中，大多采納4路麥克風陣列，這類系統(tǒng)雖然在一定程度上能解決語音增加、噪音抑制、聲源定位和回聲抵消等問題，但因為4個麥克風個數(shù)較少，只能組成一字線陣，十字陣等幾種特定的陣列外形，三維空間的方向及距離推斷有較大的誤差。設計的16通道麥克風采集系統(tǒng)能夠組成麥克風面陣，彌補了上述不足，較好地解決了三維空間信

2、號位置推斷的問題。 一、硬件系統(tǒng)設計該硬件系統(tǒng)主要包括16路麥克風構(gòu)成的陣列、a/d采樣模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、pc機，1所示。1.1 麥克風陣列該系統(tǒng)中，麥克風陣列選用聲望公司的mpa416傳聲器。mpa416傳聲器的敏捷度可達50 mv/pa;擁有低本底噪聲;頻率響應范圍20 hz20 khz;當其用于陣列時，mpa416的相位差能控制在3°5°，能滿足系統(tǒng)對精確度和穩(wěn)定性的要求。1.2 a/d采樣模塊a/d采樣模塊由4片pcm4204以及其外圍組成。pcm4204內(nèi)置了4個同步采樣通道，支持音頻串口和dsd數(shù)據(jù)口。音頻串口模式時，輸出24位線性pcm碼，有主、被動兩種工作

3、模式，支持左、右對齊，i2s和tdm數(shù)據(jù)格式，動態(tài)范圍為118 db，最高采樣頻率216 khz。系統(tǒng)選用1片pcm4204采納主動工作模式，其余3片pcm4204采納被動工作模式。通過音頻串口將外部采集的模擬聲音信號轉(zhuǎn)化為24位i2s格式數(shù)字信號。因為前端麥克風陣列的輸出信號不是差分信號，而pcm4204要求輸入信號為差分信號，同時要求輸入差分信號幅值在-0.3-0.3+vccv之間，因此其每路信號的前端都應有一個緩沖電路，用來將所接收的麥克風信號轉(zhuǎn)換為差分信號并對幅值舉行調(diào)節(jié)。緩沖電路主要由opa1632和opa22組成，opa1632和opa227是高精度、音頻差分，緩沖電路2所示。1.

4、3 dsp數(shù)據(jù)處理模塊設計中數(shù)據(jù)處理模塊挑選ti公司浮點dsp芯片tms320c6713作為模塊核心。tms320c6713為高性能32位浮點dsp，適用于專業(yè)音頻信號處理，其主頻可達300 mhz，處理速度高達2 400 /1 800 mflops。其內(nèi)部采納改進的哈佛結(jié)構(gòu);具有256 kb的片內(nèi)存儲空間;豐盛的外設包括兩個多通道緩沖串口(mcbsp)、兩個多通道音頻串口(mcasp)、spi和i2c等;增加的挺直存儲器拜訪(edma)控制器，可控制16個自立通道完成不受cpu干預的數(shù)據(jù)傳輸;32 bit的外部存儲器接口(emif)，能與sram、erpom、flash、sbsram和sdr

5、am無縫銜接。dsp數(shù)據(jù)處理模塊框圖3所示。 其中，tms320c6713通過mcasp與前端的a/d采樣模塊相連，并利用edma數(shù)據(jù)傳輸速度快、傳輸量大，且不占用cpu時鐘周期的特點，將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至tms320c6713的片內(nèi)存儲空間。tms320c6713外接控制emif接口，通過對emif接口上ce3空間的控制，控制芯片cy7c680 01，完成tms320c6713與pc機平臺間的usb數(shù)據(jù)傳輸。1.4 a/d采樣模塊與dsp數(shù)據(jù)處理模塊接口設計4片pcm4204芯片與tms320c6713的mcasp1相銜接，其銜接暗示圖4所示。圖4中，pcm4204 a采納主動工作模式，pcm4

6、204b、pcm4204c和pcm4204d采納被動工作模式。系統(tǒng)采納i2s數(shù)據(jù)格式，pcm4204a的sdout1輸出的是1和2通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是3和4通道的數(shù)據(jù)cm4204b的sdout1輸出的是5和6通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是7和8通道的數(shù)據(jù)cm4204c的sdout1輸出的是9和10通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是11和12通道的數(shù)據(jù)cm4204d的sdout1輸出的是13和14通道的數(shù)據(jù)，sdout2輸出的是15和16通道的數(shù)據(jù)。通過配置芯片引腳s/m、fmt2、fmt1、fmt0、fs2、fs1和：fs0對pcm4204舉行設置。1.5 dsp數(shù)據(jù)處理模塊usb

7、接口設計tms320c6713通過emif的ce3存儲空間可以外擴usb2.0接口，因此在對外擴usb舉行讀/寫拜訪前，需要通過emif的ce3控制寄存器ce3c-tl來配置ce3空間存儲器接口的類型、存儲器寬度及讀寫時序。cy7c68001采納并行異步存儲器接口通過可編程規(guī)律芯片cpld與tms320c6713相連，其原理框圖5所示。cy7c68001除了存儲器接口外，還有1個中斷信號和4個狀態(tài)信號。中斷信號 采納tms320c6713的外部中斷ext_int6。tms320c6713用法cy7c68001作為從設備。在這種模式下，dsp可以像讀/寫一般fifo一樣對cy7c68001內(nèi)部的

8、fifo舉行讀/寫。pc主機發(fā)出指令的同時也由cy7c68001 的引腳提供中斷觸發(fā)信號給dsp的ext_int6。其升高沿被檢測到后，dsp就進入相應中斷服務程序，開頭處理usb的傳輸。dsp通過ea4：2銜接fifoa2：0對cy7c68001內(nèi)部fifo或指令口舉行挑選。讀/寫數(shù)據(jù)通過ed15：0與fifo15：0銜接舉行。fifo和指令口的挑選和地址分配如表1所示。經(jīng)試驗驗證，usb異步傳輸速率可達3 mbit?s-1，滿足系統(tǒng)需求。1.6 pc機平臺dsp數(shù)據(jù)處理模塊通過usb接口與pc機相連，通過cy7c68001芯片，將前端采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧c機，便利對數(shù)據(jù)的進一步處理。二、 程

9、序設計2.1 mcasp接口程序設計定義了4個寄存器組：全局寄存器組globalregs、發(fā)送寄存器組xmtregs、接收寄存器組mvregs和串行化器控制寄存器組srctlregs。通過這4個寄存器組，對mcasp1的pfunc，pdir，srctl，rfmt，afsrctl，aclkrctl及ahclkrctl等寄存器舉行設置。各寄存器組所包含的主要寄存器狀況如表2所示。依據(jù)pcm4204的i2s數(shù)據(jù)格式，將接收幀同步信號的寬度定為32 bit，接收延遲設置為1個delay;axr0axr7設置為接收模式。2.2 edma傳輸程序設計為保證數(shù)據(jù)的完整性，選用ping-pong模式對edma

10、傳輸舉行配置，ping緩存存放如表3所示，pong緩存與ping緩存結(jié)構(gòu)相同。依據(jù)ping、pong緩存數(shù)據(jù)格式，對edma接收舉行配置，即對：edma的opt，src，cnt，dst，idx，及rld寄存器分離舉行設置。通過opt寄存器設置數(shù)據(jù)長度為32 bit，源數(shù)據(jù)和目的數(shù)據(jù)為一維方式，源地址固定，目的地址采納索引，啟用幀同步等。源地址和目的地址分離寫入src，dst寄存器。cnt寄存器主要用于配置幀計數(shù)和單元計數(shù)。因為采納i2s的數(shù)據(jù)格式，所以1幀數(shù)據(jù)只包含2個單元數(shù)據(jù)。通過配置idex及rld寄存器，目的數(shù)據(jù)可以根據(jù)設定的索引方式存儲。2.3 dsp端osb接口程序設計首先，通過調(diào)用

11、用戶的初始化函數(shù)，使能外部中斷并初始化usb寄存器。之后，程序通過數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)，完成dsp與pc機的數(shù)據(jù)傳輸。usb初始化程序配置如下：(1)使能外部中斷6(ext_int6)。(2)加載usb描述表，并舉行自舉檢測，如自舉不勝利，則重新自舉，直到端點0收到設置包為止。(3)配置usb為異步從fifo(asynchronous slavefifo)模式，采納內(nèi)部48 mhz時鐘源。(4)讀取fnaddr寄存器，推斷usb工作狀態(tài)。(5)依據(jù)usb工作狀態(tài)，配置ep2、ep4、ep6、ep8，并設置一次傳送的byte長度。設置ep2、ep4為bulk out，ep6、ep8為bulk in，其緩

12、沖大小分離為2×512 byte。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，pc端通過ep2向dsp發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，dsp通過外部中斷收到讀指令后，用法ep6發(fā)送已采集好的數(shù)據(jù)。在聲音數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，每路麥克風以96 khz舉行24位采樣，根據(jù)ping-pong方式舉行存儲。在傳輸過程中還需舉行推斷，當采集數(shù)據(jù)存儲在ping緩存時，發(fā)送pong緩存中的數(shù)據(jù)，當采集數(shù)據(jù)存儲在pong緩存時，發(fā)送ping緩存的數(shù)據(jù)。因為tms320c6713通過emif的ce3存儲空間可以外擴usb2.0接口，需對emif接口的ce3寄存器舉行配置，將usb接口設為16位異步存儲接口，設定讀/寫的建立時光(setup)、促發(fā)時光(strobe)、保持時光，使其滿足cy7c68001的讀/寫時序要求。2.4 pc機平臺應用程序設計pc端接口程序采納vc+6.0編寫，首