DSP原理與應(yīng)用語音信號采集與頻譜分析設(shè)計(jì)

1、西 南 交 通 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程：DSP原理與應(yīng)用課程代碼：0473001題目： 語音信號采集與頻譜分析設(shè)計(jì) 成績： 評語： 2015年1月任務(wù)書：1. DSP采用TMS320C5416，外掛SRAM。設(shè)計(jì)DSP電路核心系統(tǒng)電路。2. 輸入語音信號電壓范圍為050mV，信號帶寬20KHz，設(shè)計(jì)前端模擬電路，選擇ADC(8位及以上器件)以及相關(guān)電路。3. 設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)，系統(tǒng)電源輸入為+12V。4. 將采集的數(shù)據(jù)放在RAM中，每次采集512個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，先將信號采用低通濾波器處理，濾波器截止頻率為20KHz，分析語音信號的頻譜信息。5. 通過軟件方式產(chǎn)生語音信號，驗(yàn)證算法。語音信號采集與頻譜

2、分析設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)主要分為以上四個(gè)模塊，整個(gè)系統(tǒng)有電源電路供電，模擬前端利用雙通道運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)輸入語音信號的濾波和放大，選擇AD7819實(shí)現(xiàn)對放大后的語音信號進(jìn)行采樣并傳送給DSP，DSP對采樣信號進(jìn)行處理，利用外掛的IS61LV6416（SRAM）進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。2. 硬件設(shè)計(jì)2.1 模擬前端設(shè)計(jì)（1）模擬前端設(shè)計(jì)要求輸入語音信號電壓范圍為050mV，信號帶寬20KHz，要求通過設(shè)計(jì)模擬前端電路將輸入語音信號電壓擴(kuò)大50倍，然后對放大后的信號進(jìn)行采樣，將采樣后數(shù)據(jù)提供給DSP進(jìn)行處理。（2）器件選型及依據(jù)TLV2782零漂移精密放大器Number of Channels (#)2

3、Total Supply Voltage (Min) (+5V=5, +/-5V=10)1.8Total Supply Voltage (Max) (+5V=5, +/-5V=10)3.6Slew Rate (Typ) (V/us)4.3GBW (Typ) (MHz)8AD7819,ADI生產(chǎn)，是一款高速、微處理器兼容型、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），最大吞吐量為200 kSPS。該轉(zhuǎn)換器采用+2.7 V至+5.5 V單電源供電，內(nèi)置4.5 微秒（s）逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器、采樣保持電路、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器和8位寬并行接口。利用該并行接口，可方便地與微處理器和DSP進(jìn)行接口。AD7819僅使用地址解碼邏

4、輯，因此很容易實(shí)現(xiàn)到微處理器地址空間的映射。在省電模式下工作時(shí)，AD7819會在一次轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)自動關(guān)斷，并在新轉(zhuǎn)換開始時(shí)自動上電。當(dāng)吞吐量較低時(shí)，此特性可顯著降低器件的功耗。AD7819也可在高速模式下工作，此時(shí)該器件在兩次轉(zhuǎn)換之間不關(guān)斷。在這種模式下工作時(shí)，該器件能提供200 kSPS吞吐量。2.2 DSP核心系統(tǒng)設(shè)計(jì)（1） 存儲器運(yùn)行要求，結(jié)合CMD文件在系統(tǒng)中我們使用該外掛的SRAM存儲AD采樣的數(shù)值和DSP程序處理過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。DSP內(nèi)部的存儲器可以用來運(yùn)行程序，由于不存在多個(gè)外置存儲器的問題，我們在硬件上可以不為外置SRAM分配地址空間，在CMD文件上可以將0x8000至0xFFF

5、F的地址空間分配給數(shù)據(jù)存儲空間，地址空間占32K。將0x0080至0x7FFF分配給程序存儲空間。此時(shí)DSP可以工作在微計(jì)算機(jī)處理模式下，即MP/MC為低電平，同時(shí)還應(yīng)該將OVLY位置1將DSP內(nèi)部的DRAM0-3映射到程序存儲空間，DROM位置0將外置的SRAM分配給數(shù)據(jù)存儲空間上。這樣，DSP的存儲空間才能正確地映射到實(shí)際的物理空間上。則CMD文件可以寫成：MEMORYPAGE 0:PRAM: org = 0080H, len = 7F80HPAGE 1:DRAM: org = 8000H, len = 8000HSECTIONS.text : PRAM PAGE 0.cinit : PR

6、AM PAGE 0.const : DRAM PAGE 1.bss : DRAM PAGE 1（2）器件選型及原理圖設(shè)計(jì)DSP晶振電路、時(shí)鐘選擇電路、JTAG下載接口電路、復(fù)位電路和外掛SRAM電路。在本系統(tǒng)中，晶振電路使用16MHz的有源晶振；時(shí)鐘選擇電路可以通過手動硬件上設(shè)置DSP主時(shí)鐘頻率；JTAG電路用于DSP進(jìn)行仿真和下載程序時(shí)與仿真器之間進(jìn)行連接的接口電路；復(fù)位電路是用于給系統(tǒng)中DSP進(jìn)行手動復(fù)位或者上電復(fù)位的；外掛的SRAM使用的是IS61LV6416，該SRAM是64Kx16Bit的高速CMOS靜態(tài)RAM，它與本DSP的并行外部地址、數(shù)據(jù)總線直接相連，片選信號直接接上DSP的數(shù)

7、據(jù)空間選擇引腳上，硬件上可以不做任何地址分配問題。2.3 電源設(shè)計(jì)（1）器件選型及原理圖設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中對DSP等器件使用的1.6V和3.3V電壓，本方案使用開關(guān)電源芯片TPS5430將輸入的12V電壓調(diào)整為5V，該芯片的輸入電壓范圍廣，最大3A的持續(xù)輸出電流，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。然后該5V電壓為TPS767D301供電，TPS767D301是雙輸出的低壓差線性穩(wěn)壓器，一路固定3.3V輸出，另一路通過外部電阻可調(diào)輸出，調(diào)整關(guān)系為Vout=(1+R1R2)VREF,其中R1為本系統(tǒng)中R19，R2為本系統(tǒng)中R21，參考電壓為1.1834，兩路輸出最大都達(dá)到1A的電流，由此產(chǎn)生系統(tǒng)中使用的3.3V和1

8、.6V電壓。3. 軟件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)低通濾波器，濾波器截止頻率為20KHz并驗(yàn)證，對通過濾波器后的信號進(jìn)行fft變換，利用ccs軟件仿真截圖。3.1 信號源代碼及說明unsigned int n;float inputN,outputN;unsigned long int fs=300000; /300Kunsigned int f1=100; /100Hzunsigned int f2=1000; /1Kunsigned int f3=30000; /30Kunsigned long int f4=100000; /100Kvoid wavein() for(n=0;nN;n+ ) inputn=

9、 sin(2*pi*n*f1/fs)+sin(2*pi*n*f2/fs)+sin(2*pi*n*f3/fs)+sin(2*pi*n*f4/fs); /生成信號源，為300kHz,100kHz,1kHz,30kHz正弦信號的疊加3.2 FIR濾波器代碼及說明float firorder = -4.14135974137957e-19,-0.000829435289146221, -0.00217059218889375,-0.00421750352552917,-0.00665559847630187, -0.00851129625856717,-0.00823761143889161,-0.0

10、0405306953469355, 0.00553761739630963,0.0211860167280687,0.0422819233490111, 0.0668268810785874,0.0916755820850861,0.113115606027137, 0.127652410187186,0.132798139721275,0.127652410187186,0.113115606027137, 0.0916755820850861,0.0668268810785874,0.0422819233490111, 0.0211860167280687,0.00553761739630

11、963,-0.00405306953469355, -0.00823761143889161,-0.00851129625856717,-0.00665559847630187, -0.00421750352552917,-0.00217059218889375,-0.000829435289146221, -4.14135974137957e-19;/MATLAB生成的濾波器參數(shù)for(n=0;nN;n+ )/濾波 p=0; s=0; while(porder)&(p=n) s=firp*inputn-p+s; p+; outputn=s;3.3 FFT代碼及說明#define Sample

12、_Numb 512float FFT_ReSample_Numb;float FFT_ImSample_Numb;float FFT_WSample_Numb;float sin_tabSample_Numb;float cos_tabSample_Numb;void FFT_WNnk(void)/生成蝶形變換系數(shù) int i; for(i=0;iSample_Numb;i+) sin_tabi=sin(2*pi*i/Sample_Numb); cos_tabi=cos(2*pi*i/Sample_Numb); void fft(float datarSample_Numb,float dat

13、aiSample_Numb)/fft變換 int x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,xx; int i,j,k,b,p,L; float TR,TI,temp;/倒位序 for(i=0;iSample_Numb;i+) x0=x1=x2=x3=x4=x5=x6=x7=0; x0=i&0x01;x1=(i/2)&0x01;x2=(i/4)&0x01;x3=(i/8)&0x01; x4=(i/16)&0x01;x5=(i/32)&0x01;x6=(i/64)&0x01;x7=(i/128)&0x01; x8=(i/256)&0x01; xx = x0*256+x1*128+x2

14、*64+x3*32+x4*16+x5*8+x6*4+x7*2+x8; dataixx=datari; for(i=0;iSample_Numb;i+) datari=dataii;dataii=0; for(L=1;L0) b=b*2;i-; for(j=0;j0) p=p*2;i-; p=p*j; for(k=j;k512;k=k+2*b) TR=datark;TI=dataik;temp=datark+b; datark=datark+datark+b*cos_tabp+dataik+b*sin_tabp; dataik=dataik-datark+b*sin_tabp+dataik+b*

15、cos_tabp; datark+b=TR-datark+b*cos_tabp-dataik+b*sin_tabp; dataik+b=TI+temp*sin_tabp-dataik+b*cos_tabp; for(i=0;iSample_Numb/2;i+) FFT_Wi=sqrt(datari*datari+dataii*dataii); 3.4 仿真圖及分析MATLAB中的截圖：A:濾波器設(shè)計(jì)分析：本系統(tǒng)采用的是階數(shù)為30的漢明窗低通濾波器，采樣頻率為300kHz，截止頻率為20kHz。 B：輸入信號時(shí)域分析分析：生成信號源，為300kHz,100Hz,1kHz,30kHz正弦信號的疊加

16、C：輸入信號頻譜分析分析：可見輸入信號中有4個(gè)頻率分量D：輸出信號時(shí)域分析分析：通過濾波后輸出的信號中剩下兩個(gè)頻率分量，分別是100Hz，1kHz的正弦信號，上圖為它們的時(shí)域疊加，完成了設(shè)計(jì)要求。E：輸出信號頻域分析分析：濾波后的信號剩余兩個(gè)頻譜分量CCS軟件截圖A：輸入波形時(shí)域圖形B：輸入波形頻譜分析C：輸出波形時(shí)域圖形D：輸出波形頻譜分析E：輸出FFT變換后分析：由ccs仿真圖可知輸入信號中超過20kHz的信號能夠成功的被濾除，故該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。4.課程總結(jié)本學(xué)期的DSP原理與應(yīng)用課程從數(shù)字信號處理概述講起，到DSP芯片的發(fā)展概況，以及DSP芯片的特點(diǎn)、分類、應(yīng)用，從C54X系列深

17、入探討了DSP芯片功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件設(shè)計(jì)以及ccs軟件設(shè)計(jì)和仿真。最后利用動手設(shè)計(jì)fir濾波器和FFT變換兩個(gè)實(shí)例的硬件軟件設(shè)計(jì)和仿真來進(jìn)一步加深對DSP原理與應(yīng)用的理解。附：ccs源代碼#include #include #define order 31 #define N 512 #define pi 3.14159265358979323846float firorder = -4.14135974137957e-19,-0.000829435289146221, -0.00217059218889375,-0.00421750352552917,-0.0066555984763018

18、7, -0.00851129625856717,-0.00823761143889161,-0.00405306953469355, 0.00553761739630963,0.0211860167280687,0.0422819233490111, 0.0668268810785874,0.0916755820850861,0.113115606027137, 0.127652410187186,0.132798139721275,0.127652410187186,0.113115606027137, 0.0916755820850861,0.0668268810785874,0.0422

19、819233490111, 0.0211860167280687,0.00553761739630963,-0.00405306953469355, -0.00823761143889161,-0.00851129625856717,-0.00665559847630187, -0.00421750352552917,-0.00217059218889375,-0.000829435289146221, -4.14135974137957e-19;float s;unsigned int n;float inputN,outputN;unsigned long int fs=300000; /

20、300Kunsigned int f1=100; /100hzunsigned int f2=1000; /1Kunsigned int f3=30000; /30Kunsigned long int f4=100000; /100K#define Sample_Numb 512float FFT_ReSample_Numb;float FFT_ImSample_Numb;float FFT_WSample_Numb;float sin_tabSample_Numb;float cos_tabSample_Numb;void FFT_WNnk(void) int i; for(i=0;iSam

21、ple_Numb;i+) sin_tabi=sin(2*pi*i/Sample_Numb); cos_tabi=cos(2*pi*i/Sample_Numb); void fft(float datarSample_Numb,float dataiSample_Numb) int x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,xx; int i,j,k,b,p,L; float TR,TI,temp;/倒位序 for(i=0;iSample_Numb;i+) x0=x1=x2=x3=x4=x5=x6=x7=0; x0=i&0x01;x1=(i/2)&0x01;x2=(i/4)&0x01;x3=(i/8)&0x01; x4=(i/16)&0x01;x5=(i/32)&0x01;x6=(i/64)&0x01;x7=(i/128)&0x01; x8=(i/256)&0x01; xx = x0*256+x1*128+x2*64+x3*32+x4*16+x5*8+x6*4+x7*2+x8; dataixx=datari; for(i=0;iSample_Numb;i+) datari=dataii;dataii=0; f