基于-DSP實(shí)時(shí)語音處理設(shè)計(jì)

1、-. z基于TMS320VC5402的音頻信號(hào)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(hào)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)的承受圍，它能夠在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下，使輸出信號(hào)保持恒定或僅在較小圍變化，不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無常工作，也不至于因?yàn)檩斎胍驗(yàn)檩斎胄盘?hào)太大而使接收機(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(hào)采集與處理

2、系統(tǒng)。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已越來越多地被廣闊的工程師所承受，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(shí)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(hào)處理芯片，以數(shù)字計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)展處理，具有處理速度快、靈活、準(zhǔn)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(duì)信號(hào)快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)處理及控制的要求。對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的應(yīng)用需求和超大規(guī)模集成電路技術(shù)水平的飛速開展，推動(dòng)著DSP性能不斷提高。DSP是一種專用的數(shù)字信號(hào)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

3、信號(hào)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(hào)的壓縮處理。基于DSP的實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)，它具有可選擇的信號(hào)采樣速率和高性能的數(shù)字信號(hào)處理能力，不僅可以用來對(duì)立體音頻信號(hào)進(jìn)展實(shí)時(shí)編解碼處理，還可以用來作為高速的實(shí)時(shí)信號(hào)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)功能等根本功能。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(hào)，而且能夠?qū)陕份斎胄盘?hào)進(jìn)展實(shí)時(shí)采集并將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)展數(shù)字信號(hào)處理，并能夠根據(jù)要求存儲(chǔ)不少于10小時(shí)的錄音，最后輸出音頻信號(hào)。則在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中，為滿足要求要有信號(hào)采集，模

4、/數(shù)及數(shù)/模轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理局部，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(hào)特征分析音頻信號(hào)經(jīng)過高精度高速的ADC轉(zhuǎn)換后得到一串?dāng)?shù)字信號(hào)，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(hào)調(diào)入TMS320C5402的部進(jìn)展高速運(yùn)算。經(jīng)過處理的音頻信號(hào)，再輸入到高精度高速的DAC轉(zhuǎn)換器中，復(fù)原成模擬的聲音信號(hào)，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(hào)為2路語音信號(hào)，要求系統(tǒng)能對(duì)2路輸入信號(hào)進(jìn)展實(shí)時(shí)采集、數(shù)字化處理、壓縮、存儲(chǔ)錄音，要保證一定的錄音質(zhì)量，錄音時(shí)間不少于10小時(shí)。2.根據(jù)參數(shù)對(duì)輸入信號(hào)特征進(jìn)展分析、需求分析，選擇確定DSP芯片型號(hào)、語

5、音采集芯片型號(hào)，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)構(gòu)造框圖:高精度高速音頻信號(hào)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(hào)DAC音頻處理程序存儲(chǔ)區(qū)EPROM語音信號(hào)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)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(hào)。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)的核心局部，它對(duì)經(jīng)數(shù)字化的信號(hào)進(jìn)展壓縮，編解碼等。A/D轉(zhuǎn)換模塊功能是把模擬信號(hào)數(shù)字化，包括采集和量化，這局部為DSP處理語音

6、數(shù)字信號(hào)做好了準(zhǔn)備；D/A轉(zhuǎn)換模塊就是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬的信號(hào)，輸出音頻信號(hào)。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，到達(dá)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。電源模塊是為部芯片及周邊系統(tǒng)電路提供能量的局部。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(chǎng)合。與其它C54*芯片一樣，C5402具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力。其性能特點(diǎn)如下：操作速率可達(dá)100MIPS；具有先進(jìn)的多總線構(gòu)造，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

7、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(hào)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)輔助存放器及一個(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，置4K16bit ROM和16k16bit RAM；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口、兩個(gè)16位定時(shí)器以及6通道DMA控制器且低功耗。與C54*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

8、6級(jí)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；芯片部RAM和ROM可根據(jù)PMST存放器中的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)耐鈬娮?，?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+5

9、V電源供電，信噪比為95dB，動(dòng)態(tài)圍為95dB，其部嵌有高通濾波器，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(hào)采集系統(tǒng)時(shí)，主要涉及到BCK(位時(shí)鐘信號(hào))、LRCK(采樣時(shí)鐘信號(hào))、FSYNC(幀同步信號(hào))、DOUT(數(shù)字信號(hào)輸出)、SYSCLK(系統(tǒng)時(shí)鐘輸入)這幾個(gè)對(duì)時(shí)序有要求的引腳。通過對(duì)引腳MODE0和MODE1進(jìn)展編程，可讓PCM1800工作于主控模式(Master Mode)。此時(shí)，BCK、LRCK、FSYNC均作為輸出，其時(shí)序由PCM1800部的時(shí)鐘產(chǎn)生電路控制。但SYSCLK只能由外

10、部提供(這里用C5402的TOUT腳輸出信號(hào)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(hào)采樣頻率。在主控模式時(shí)，F(xiàn)SYNC用來指明PCM1800的DOUT輸出的有效數(shù)據(jù)，它的上升沿說明一幀數(shù)據(jù)的起始，下降沿說明一幀數(shù)據(jù)的完畢。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(hào)BCK的頻率是采樣時(shí)鐘頻率LRCK的64倍。3、通過對(duì)PCM1800的FMT0、FMT1兩引腳編程(FMT01，F(xiàn)MT10)，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)展的數(shù)

11、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(hào)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),圍是1.2-9.7VD/A電路PCM1744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)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

12、的操作主要涉及到LRCIN(采樣時(shí)鐘信號(hào)輸入)、BCKIN(位時(shí)鐘信號(hào)輸入)、SCKI(系統(tǒng)時(shí)鐘輸入)、DIN(數(shù)據(jù)輸入)這幾個(gè)對(duì)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(hào)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(hào)(SCKI)由C5402的TOUT引腳提供，TOUT是C5402的定時(shí)器輸出信號(hào)引腳，有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)芯片。PCM1744的數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘格式必須是IIS格式，C5402在緩沖串口存放器中設(shè)置各種時(shí)鐘方式時(shí)，必須滿足IIS格式的要求。C5402作為主開工作器件，可以對(duì)其緩沖串口輸

13、出信號(hào)進(jìn)展調(diào)整。輸出的采樣時(shí)鐘信號(hào)、位時(shí)鐘信號(hào)可以在McBSP存放器SRGR1和SRGR2中設(shè)置，設(shè)置遵循圖3的原則。 C5402時(shí)鐘發(fā)生流程圖根本的時(shí)鐘信號(hào)可以來自CPU時(shí)鐘，也可以來自晶振時(shí)鐘，這在SRGR2存放器中的第13位設(shè)置。根本時(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)展第一次分頻，得到位時(shí)鐘信號(hào)(由BCLK*1腳輸出)。值得注意的是，位時(shí)鐘信號(hào)最高為DSP頻率的一半。位時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)FPER(SRGR2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(hào)(由BFS*1腳輸出)，F(xiàn)PER和FWID分別設(shè)置采樣時(shí)鐘信

14、號(hào)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(hào)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(hào)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 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dInmOutchar dOut ;char hn

15、21=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); /將采集大信號(hào)放大 for(j=0;jma*ArrIn) /如果輸入信號(hào)大于臨時(shí)正峰值ma*ArrInma*ArrIn=AGC_in; /則更新臨時(shí)峰值if(-1*AGC

16、_inma*ArrIn) /早果輸入信號(hào)大于臨時(shí)負(fù)峰值ma*ArrInma*ArrIn=-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ma*AGC_in=ma*ArrIn; /則更新長期峰值ma*ArrIn=0; /并重新捕捉臨時(shí)峰值dTime=0; /重新開場(chǎng)計(jì)時(shí)dTime+;if(AGC_in ma*AGC_in) /及時(shí)檢測(cè)長期正峰值勤ma*AGC_in=AGC_in; /及時(shí)更新長期正峰值if(ma*AGC_in10) /如果輸入信號(hào)大于1AGC_Coff=500.0/(ma*AGC_in+100); /按信號(hào)幅度成反比關(guān)系計(jì)算放

17、大系數(shù)if(-1*AGC_in)ma*AGC_in) /及時(shí)檢測(cè)長期正峰值勤ma*AGC_in=-1*AGC_in; /及時(shí)更新長期負(fù)峰值if(ma*AGC_in10) /如果輸入信號(hào)大于-1AGC_Coff=500.0/(ma*AGC_in+100); /按信號(hào)幅度成反比關(guān)系計(jì)算放大系數(shù)if(ma*AGC_in20000) /對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)展限幅AGC_out=20000; /如果信號(hào)幅度超過2000則用2000表示if(AGC_out-20000)AGC_out=-20000;return AGC_out; /返回放大后的信號(hào)，即AGC_audio(dIn)=AGC_out濾波器放大設(shè)計(jì)

18、五、系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析(1)調(diào)試步驟：測(cè)試電源電壓 測(cè)試DSP芯片的輸出頻率 對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)展系統(tǒng)仿真 對(duì)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)展。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)，可以通過比擬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)展適當(dāng)?shù)臑V波以及放大處理.在本次課程設(shè)計(jì)中我們遇到了一系列問題:1.耳機(jī)和麥在試聽初沒有聲音或雜音很大解決方法:將耳機(jī)和麥插在電腦的插孔里,通過電腦測(cè)試耳機(jī)和麥?zhǔn)欠裾?.調(diào)整好程序后試聽中耳機(jī)里面大雜音很大,嘯叫聲不斷.解決方法: 調(diào)整濾波器以及AGC放大程序數(shù)據(jù)的設(shè)置.3.試聽過程中發(fā)現(xiàn)從遠(yuǎn)處傳來大聲音強(qiáng),近處大聲音要弱.原因:近處大聲音過大,在采集聲音信號(hào)的過程中失真了.六、設(shè)計(jì)總結(jié)及心得本次課程設(shè)計(jì)，我了解了模/數(shù)(A/D)和數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)方法，掌握了利用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(hào)的采集和輸出的方