基于-DSP實時語音處理設計

1、-. z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計。討論了模/數(shù)(A/D)和數(shù)/模(D/A)轉換電路的設計方法以及如何利用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控制增益的幅度，擴大了接收機的承受圍，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圍變化，不至于因為輸入信號太小而無常工作，也不至于因為輸入因為輸入信號太大而使接收機發(fā)生飽和或阻塞。實驗證明：所設計的基于DSP的硬件和軟件系統(tǒng)是一個很好的音頻信號采集與處理

2、系統(tǒng)。緒言近年來，隨著DSP技術的普及和低價格、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用于各個領域，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)字計算的方法對信號進展處理，具有處理速度快、靈活、準確、抗干擾能力強、體積小及可靠性高等優(yōu)點，滿足了對信號快速、準確、實時處理及控制的要求。對實時數(shù)字信號處理的應用需求和超大規(guī)模集成電路技術水平的飛速開展，推動著DSP性能不斷提高。DSP是一種專用的數(shù)字信號處理器。隨著超大規(guī)模集成電路技術上取得的突破進展，高度集成化的DSP數(shù)字

3、信號處理器具有體積小、功耗低和運算速度快等諸多優(yōu)點，因此非常適用于語音信號的壓縮處理?；贒SP的實時語音處理系統(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展實時編解碼處理，還可以用來作為高速的實時信號采集與處理板使用。它包括多路語音實時采集，壓縮處理，存儲功能等根本功能。根據(jù)設計要求中的要點，所要設計的基于DSP的實時語音處理系統(tǒng)功能是，它能同時輸入至少兩路音頻信號，而且能夠對兩路輸入信號進展實時采集并將模擬信號數(shù)字化，然后對信號進展數(shù)字信號處理，并能夠根據(jù)要求存儲不少于10小時的錄音，最后輸出音頻信號。則在設計系統(tǒng)過程中，為滿足要求要有信號采集，模

4、/數(shù)及數(shù)/模轉換，數(shù)字信號處理局部，包括數(shù)據(jù)壓縮等，電源電路，復位電路，時鐘電路。信號特征分析音頻信號經(jīng)過高精度高速的ADC轉換后得到一串數(shù)字信號，分幀輸入到波形輸入緩沖區(qū)RAM。然后由手動控制一種或幾種處理算法將音頻信號調入TMS320C5402的部進展高速運算。經(jīng)過處理的音頻信號，再輸入到高精度高速的DAC轉換器中，復原成模擬的聲音信號，經(jīng)音箱功率放大電路放大輸出。一、本設計的任務1.輸入信號為2路語音信號，要求系統(tǒng)能對2路輸入信號進展實時采集、數(shù)字化處理、壓縮、存儲錄音，要保證一定的錄音質量，錄音時間不少于10小時。2.根據(jù)參數(shù)對輸入信號特征進展分析、需求分析，選擇確定DSP芯片型號、語

5、音采集芯片型號，完成系統(tǒng)硬件設計。二、本設計的實現(xiàn)方案1、系統(tǒng)構造框圖: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音頻處理程序存儲區(qū)EPROM語音信號存儲器SDRAM電源復位電路音頻系統(tǒng)應該具有較寬的動態(tài)圍，選擇1624位的ADC和DAC能完全捕獲或恢復高保真的音頻信號。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芯片模塊是整個實時語音處理系統(tǒng)的核心局部，它對經(jīng)數(shù)字化的信號進展壓縮，編解碼等。A/D轉換模塊功能是把模擬信號數(shù)字化，包括采集和量化，這局部為DSP處理語音

6、數(shù)字信號做好了準備；D/A轉換模塊就是把數(shù)字信號轉換為模擬的信號，輸出音頻信號。SDRAM動態(tài)隨機存儲器存儲器模塊主要是為DSP處理器擴展存儲容量，到達要求的存儲容量；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。復位電路模塊3、DSP處理器：作為DSP家族高性價比代表的16位定點DSP芯片，C5402適用于語音通信等實時嵌入應用場合。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。其性能特點如下：操作速率可達100MIPS；具有先進的多總線構造，三條16位數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線；40位算術邏輯單

7、元(ALU)，包括一個40位桶形移位器和兩個40位累加器；一個1717乘法器和一個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個輔助存放器及一個軟件棧，允許使用業(yè)界最先進的定點DSP C語言編譯器；數(shù)據(jù)/程序尋址空間為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)時鐘產(chǎn)生器、兩個多通道緩沖串口、一個與外部處理器通信的8位并行HPI口、兩個16位定時器以及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、低功耗和低價格等特點。它采用

8、6級流水線，且當RPT(重復指令)時，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位靈活設置。這些都有利于算法的優(yōu)化。三、硬件設計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。而實際常用的只有5V電源，所以必須采用電源轉換芯片。選用TPS7301和TPS7333兩塊電源轉換芯片(它們都是TI公司為配合DSP而設計的電源轉換芯片)，分別接上適當?shù)耐鈬娮?，構成電阻分壓器，即可調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構成音頻信號采集系統(tǒng)時，主要涉及到BCK(位時鐘信號)、LRCK(采樣時鐘信號)、FSYNC(幀同步信號)、DOUT(數(shù)字信號輸出)、SYSCLK(系統(tǒng)時鐘輸入)這幾個對時序有要求的引腳。通過對引腳MODE0和MODE1進展編程，可讓PCM1800工作于主控模式(Master Mode)。此時，BCK、LRCK、FSYNC均作為輸出，其時序由PCM1800部的時鐘產(chǎn)生電路控制。但SYSCLK只能由外

10、部提供(這里用C5402的TOUT腳輸出信號提供)。PCM1800的系統(tǒng)時鐘只能是256fs、384fs或者512fs，這里fs是音頻信號采樣頻率。在主控模式時，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的頻率是采樣時鐘頻率LRCK的2倍。在此模式下，位時鐘信號BCK的頻率是采樣時鐘頻率LRCK的64倍。3、通過對PCM1800的FMT0、FMT1兩引腳編程(FMT01，F(xiàn)MT10)，可以設置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)處理時不影響新數(shù)據(jù)的接收以及在接收數(shù)據(jù)時不中斷正在進展的數(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)，各種同步信號由PCM1800產(chǎn)生，C5402是被動接收各種信息。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,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，動態(tài)圍為95dB，具有多種采樣頻率可選，最高可達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(采樣時鐘信號輸入)、BCKIN(位時鐘信號輸入)、SCKI(系統(tǒng)時鐘輸入)、DIN(數(shù)據(jù)輸入)這幾個對時序有要求的引腳。PCM1744與C5402連接后，C5402使用緩沖串口1發(fā)送數(shù)據(jù)，各種時鐘信號均由C5402產(chǎn)生，PCM1744被動接收各種信息。PCM1744的系統(tǒng)時鐘信號(SCKI)由C5402的TOUT引腳提供，TOUT是C5402的定時器輸出信號引腳，有較強的驅動能力，可以驅動多個芯片。PCM1744的數(shù)據(jù)接收時鐘格式必須是IIS格式，C5402在緩沖串口存放器中設置各種時鐘方式時，必須滿足IIS格式的要求。C5402作為主開工作器件，可以對其緩沖串口輸

13、出信號進展調整。輸出的采樣時鐘信號、位時鐘信號可以在McBSP存放器SRGR1和SRGR2中設置，設置遵循圖3的原則。 C5402時鐘發(fā)生流程圖根本的時鐘信號可以來自CPU時鐘，也可以來自晶振時鐘，這在SRGR2存放器中的第13位設置。根本時鐘輸入后，經(jīng)CLKGDV(SRGR1的第7位到第0位)所設置的值進展第一次分頻，得到位時鐘信號(由BCLK*1腳輸出)。值得注意的是，位時鐘信號最高為DSP頻率的一半。位時鐘信號經(jīng)FPER(SRGR2的第11位到第0位)和FWID(SRGR1的第15位到第8位)所設置的值進一步分頻得到采樣時鐘信號(由BFS*1腳輸出)，F(xiàn)PER和FWID分別設置采樣時鐘信

14、號的低電平和高電平的時間值。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的外擴程序存儲器中嵌入相應的處理算法，語音信號經(jīng)處理后，再從PCM1744輸出。復位電路:所用芯片為74HC14 存儲器模塊：所用芯片為MT48LC8M8A2TG-75存儲容量Density 為64Mb數(shù)據(jù)寬度16位工作電壓 3.3V TSOP封裝 54管腳 時鐘速率133 MHz 四、軟件設計1、在本課程設計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); /將采集大信號放大 for(j=0;jma*ArrIn) /如果輸入信號大于臨時正峰值ma*ArrInma*ArrIn=AGC_in; /則更新臨時峰值if(-1*AGC

16、_inma*ArrIn) /早果輸入信號大于臨時負峰值ma*ArrInma*ArrIn=-1*AGC_in; /則更新臨時峰值if(dTime4096) /每隔4096個時鐘修改一次長期峰值ma*AGC_in=ma*ArrIn; /則更新長期峰值ma*ArrIn=0; /并重新捕捉臨時峰值dTime=0; /重新開場計時dTime+;if(AGC_in ma*AGC_in) /及時檢測長期正峰值勤ma*AGC_in=AGC_in; /及時更新長期正峰值if(ma*AGC_in10) /如果輸入信號大于1AGC_Coff=500.0/(ma*AGC_in+100); /按信號幅度成反比關系計算放

17、大系數(shù)if(-1*AGC_in)ma*AGC_in) /及時檢測長期正峰值勤ma*AGC_in=-1*AGC_in; /及時更新長期負峰值if(ma*AGC_in10) /如果輸入信號大于-1AGC_Coff=500.0/(ma*AGC_in+100); /按信號幅度成反比關系計算放大系數(shù)if(ma*AGC_in20000) /對放大后的信號進展限幅AGC_out=20000; /如果信號幅度超過2000則用2000表示if(AGC_out-20000)AGC_out=-20000;return AGC_out; /返回放大后的信號，即AGC_audio(dIn)=AGC_out濾波器放大設計

18、五、系統(tǒng)調試及結果分析(1)調試步驟：測試電源電壓 測試DSP芯片的輸出頻率 對硬件系統(tǒng)進展系統(tǒng)仿真 對DSP外圍硬件調試 模數(shù)接口的調試 (2)軟件調試 DSP系統(tǒng)的軟件調試主要是在仿真器上進展。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。 軟件調試時，可以通過比擬C程序的模擬結果與匯編程序的結果來實現(xiàn)。通常，兩種結果應完全一致。 (3)系統(tǒng)調試 本系統(tǒng)的初始化主要有以下幾項工作：中斷矢量的重定位工作時鐘設置等待狀態(tài)數(shù)的設置中斷設置其他設置 (4)結果分析最后試聽出來大致效果良好,能夠將采集到的語音進展適當?shù)臑V波以及放大處理.在本次課程設計中我們遇到了一系列問題:1.耳機和麥在試聽初沒有聲音或雜音很大解決方法:將耳機和麥插在電腦的插孔里,通過電腦測試耳機和麥是否正常2.調整好程序后試聽中耳機里面大雜音很大,嘯叫聲不斷.解決方法: 調整濾波器以及AGC放大程序數(shù)據(jù)的設置.3.試聽過程中發(fā)現(xiàn)從遠處傳來大聲音強,近處大聲音要弱.原因:近處大聲音過大,在采集聲音信號的過程中失真了.六、設計總結及心得本次課程設計，我了解了模/數(shù)(A/D)和數(shù)/模(D/A)轉換電路的設計方法，掌握了利用TMS320VC5402的多通道緩沖同步串口(McBSP)和PCM1800及PCM1744芯片接口來實現(xiàn)音頻信號的采集和輸出的方