基于DSP芯片的音頻信號(hào)濾波系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 琳，楊麗麗，張醒芝

（新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與軟件分院，新疆 烏魯木齊 830021）

CMOS技術(shù)的出現(xiàn)和進(jìn)步，1982年推出了基于CMOS的浮點(diǎn)DSP芯片。AT&T公司于1984年推出的DSP32.是第一個(gè)高性能浮點(diǎn)DSP。1990年推出了浮點(diǎn)DSP芯片MC96002?？梢姀?0年代以來，DSP芯片的發(fā)展突飛猛進(jìn)，逐漸決定電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代。從運(yùn)算速度看，DSP芯片關(guān)鍵的乘法器部件從40%降到5%以內(nèi)，片內(nèi)RAM數(shù)量增加一級(jí)以上。引腳數(shù)量增加到200個(gè)以上，大大提高了芯片靈活性。本文介紹了基于TMS320C5416DSP芯片的音頻信號(hào)濾波系統(tǒng)，結(jié)合音頻編解碼TLV320AIC23芯片，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器等實(shí)現(xiàn)語音錄放器硬件的設(shè)計(jì)；接著以CCS環(huán)境下的C語言為軟件設(shè)計(jì)。將語音信號(hào)輸入后，經(jīng)AIC23進(jìn)行采樣后保存在外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，再經(jīng)過DSP帶緩沖串口MCBSP 2讀入DSP，經(jīng)過FIR濾波器濾除信號(hào)中的噪聲，最后進(jìn)行離散傅里葉快速變換。

1 硬件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)采用DSP芯片TMS320C5416和TLV320AIC23音頻編解碼芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上完成語音信號(hào)的采集、播放、存儲(chǔ)、分析功能。文中包括3部分：音頻信號(hào)采集、DSP芯片處理信號(hào)、Flash存儲(chǔ)器。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)計(jì)圖Fig.1 The system overall structure

TMS320C5416是文中采用的主芯片，是一款低功耗、高性能的DSP芯片，主要功能包括采集語音信號(hào)、存儲(chǔ)以及控制模塊間通信等，將音頻信號(hào)經(jīng)過采集和壓縮后存放到Flash存儲(chǔ)器中。AIC23的高性能立體聲信號(hào)的輸入支持MIC和LINE?IN兩種方式，可配置寄存器選擇，并且具有可編程增益調(diào)節(jié)。其內(nèi)部集成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換部件，采用先進(jìn)的采樣技術(shù)，采樣范圍在8K～96K之間。

本設(shè)計(jì)的從芯片TLV320AIC23音頻編解碼芯片，是立體聲音頻Codec芯片，主要負(fù)責(zé)對語音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，采樣編碼及濾波，該芯片是理想的音頻模擬器件，應(yīng)用廣泛；DSP芯片三個(gè)中有兩個(gè)緩沖串口MCBSP0和MCBSP1負(fù)責(zé)控制音頻芯片AIC23，其中MCBSP0串口是SPI接口，實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，MCBSP1串口是 I2S接口，任務(wù)是寫控制字；Flash存儲(chǔ)模塊可快速訪問、可電擦寫，即使停電信息也不會(huì)丟失數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，而且成本很低，可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)，容量大有幾GB，外形小巧等特性，進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)操作為載體。

1.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的DSP芯片TMS320C5416，最高頻率可達(dá)160MIPS，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性良好；音頻編解碼芯片TLV320AIC23采樣精度在16～32位。上述兩種芯片的結(jié)合是解決移動(dòng)音頻錄放系統(tǒng)、現(xiàn)場采集語音的理想設(shè)計(jì)。TMS320C5416的3個(gè)MCBSP可以方便地實(shí)現(xiàn)AIC23之間的控制和通信。AIC23是可編程芯片，其內(nèi)部含有11個(gè)16位寄存器，由MODE引腳選擇控制接口采用SPI或者I2C哪種工作方式，MODE=0采用I2C模式；MODE=1表示采用SPI模式。

AIC23獨(dú)立的控制口接收控制器的命令字，而獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口交換DSP語音數(shù)據(jù)。為DSP提供工作時(shí)鐘的是12M外部晶振。本系統(tǒng)C5416DSP的MCBSP0連接AIC23的控制接口，MCBSP1連接AIC23的數(shù)據(jù)接口。TMS320C5416DSP連接TLV320AIC23的接口框圖如圖2。

圖2 TMS320C5416DSP和TLV320AIC23的連接電路框圖Fig.2 Connect the TMS320C5416DSP circuit diagram and TLV320AIC23

1.2 TMS320C5416DSP模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用TMS320C5416芯片，其內(nèi)部128K*16的RAM，能有效提高系統(tǒng)的集成度和總體性能。另外它還有3個(gè)多通道緩沖串口，提供128個(gè)通道。C5416芯片的特點(diǎn)有：工作頻率可達(dá)160 MIPS；可以訪問的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間64K、I/O空間64K。

TMS320C5416和TLV320AIC23連接的引腳如下：BCLKX0/1:傳輸時(shí)鐘信號(hào)，是多通道緩沖串行接口發(fā)送器的串行移位時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位時(shí)，默認(rèn)為輸入。當(dāng)OFF為低電平，BCLKX進(jìn)入高組態(tài)；TMS320C5416連接FLASH器件時(shí)，DSP芯片每次采集32位的語音數(shù)據(jù)，依次從左聲道開始往右聲道寫入Flash器件進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.3 TLV320AIC23語音采集及回放接口電路模塊

AIC23芯片內(nèi)部集成了ADC和DAC，兼容C5416的輸入/輸出電壓，它的數(shù)字接口和DSP的MCBSP端口無縫連接。AIC23采用先進(jìn)的Sigma-delta過采樣技術(shù)，將大部分的噪聲轉(zhuǎn)移到阻態(tài)，采樣頻率范圍8K～96K提供4種16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣數(shù)據(jù)，ADC和DAC的輸出信噪比分別達(dá)到90 dB和100 dB。

TLV320AIC23與TMS320C5416連接的引腳圖如下。BCLK:I2S數(shù)字音頻接口時(shí)鐘信號(hào)，串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)鐘，當(dāng)主模式是AIC23時(shí)，由AIC23產(chǎn)生BCLK且由它傳輸給DSP，此時(shí)的頻率僅為主時(shí)鐘的1/4，當(dāng)從模式時(shí)，DSP產(chǎn)生BCLK；DIN:I2S格式輸入給D/A轉(zhuǎn)換器；DOUT，立體聲ADC產(chǎn)生，I2S格式A/D轉(zhuǎn)換器串行數(shù)據(jù)輸出；LRCIN/LRCOUT:I2SD/A和A/D轉(zhuǎn)換器字時(shí)鐘信號(hào)，主機(jī)模式下，AIC23產(chǎn)生該信號(hào)發(fā)送給DSP，從機(jī)模式下，由DSP產(chǎn)生；SCLK:控制端口串行時(shí)鐘輸入；SDIN:控制端口串行數(shù)據(jù)輸入，控制協(xié)議，傳輸配置數(shù)據(jù)；/CS:在SPI模式下，是數(shù)據(jù)鎖存控制端，在I2C模式下，作為外設(shè)7位地址的末位；XTI/MCLK：外部時(shí)鐘輸入。本文中AIC23由外接的晶振提供工作時(shí)鐘，TLV320AIC23從電路模塊電路如圖3。

圖3 TLV320AIC23從電路模塊電路Fig.3 TLV320AIC23 from the circuit module circuit

1.4 語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路模塊

本文的語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用32M*8位的Flash存儲(chǔ)空間，能夠滿足文中對存儲(chǔ)器芯片的容量以及讀取語音信號(hào)速度。Flash存儲(chǔ)器內(nèi)存放錄音和放音系統(tǒng)數(shù)據(jù)。Flash的構(gòu)成是由一組可獨(dú)立擦除的1KB區(qū)塊，擦除一個(gè)區(qū)塊將使該區(qū)塊全部復(fù)位為1。Flash存儲(chǔ)器每個(gè)區(qū)塊的基地址都固定不變。Flash存儲(chǔ)器在存儲(chǔ)器中處于起始位置，一般從0開始。下圖4為Flash存儲(chǔ)模塊電路圖。

Flash存儲(chǔ)器是一種不揮發(fā)性內(nèi)存，存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤，因此成為便攜式數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)，同時(shí)Flash存儲(chǔ)器采用串行結(jié)構(gòu)，讀寫單元以頁和塊為單位，容量可以很大，成本低廉，而且又能確保數(shù)據(jù)讀寫的正確性。閃存的I/O端口有8位，數(shù)據(jù)傳送的方式是輪流傳送命令字。DSP采集到的32位語音數(shù)據(jù)，通過外部總線分4次，從左往右聲道寫入閃存中。

1.5 電源接口模塊

圖4 Flash存儲(chǔ)模塊電路Fig.4 Flash memory module circuit

TMS320C5416DSP的供電結(jié)構(gòu)采用雙電源器件芯片，內(nèi)核電源CVDD和I/O電源DVDD，需要考慮相對電壓和上電次序。兩種供電控制策略不同：DVDD是3.3 V單電源上電，而CVDD只加載1.6 V，降低供電是想要降低芯片的功耗。雙供電模式可以消除電源間的延時(shí)。在理想狀態(tài)下，I/O電源和內(nèi)核電源應(yīng)該同時(shí)加電，但實(shí)際情況下想要做到并不容易。如果不能同時(shí)加電，需要根據(jù)引腳電平對工作模式進(jìn)行配置，內(nèi)核要優(yōu)先于I/O供電，要求一種電壓要低于操作電壓，另一個(gè)電壓供電時(shí)間不能超出要求。上電過程中，要保證I/O緩沖接收到正確的內(nèi)核輸出，并防止系統(tǒng)的總線沖突。加電次序主要取決于內(nèi)部靜電保護(hù)電路如圖5所示。

圖5 內(nèi)部靜電保護(hù)電路Fig.5 The internal static protective circuit

圖6中可見，需要DVDD不超出CVDD 2 V，于是采用4個(gè)二極管降壓，而內(nèi)核電源不能超過I/O電源電壓0.5 V，因此只用一個(gè)二極管，否則容易損壞芯片。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模塊

本語音錄放系統(tǒng)的軟件環(huán)境是DSP集成開發(fā)環(huán)境IDE提供成熟的核心功能和便捷的圖形可視化工具，使得設(shè)計(jì)更快。CCS2.0提采用圖形接口界面，有編輯工具和工程管理工具，提供軟件開發(fā)、程序調(diào)試和仿真環(huán)境，集成了匯編器、編譯器、建庫工具等。CCS集成的代碼調(diào)試工具具備各種調(diào)試功能，同時(shí)支持匯編和C/C++語言，本系統(tǒng)的程序軟件均采用C語言混合編寫。既容易調(diào)試，又能提高軟件的執(zhí)行效率，能對DSP進(jìn)行指令級(jí)仿真和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。同時(shí)它還具有豐富的庫函數(shù)。

本系統(tǒng)的軟件部分主要是從現(xiàn)場線路輸入和麥克語音所采集到的信號(hào)，收集并存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)器中，由濾波后播出信號(hào)，并將信號(hào)變換到頻域，即FFT離散傅立葉快速變換。

2.1 語音分析子模塊

現(xiàn)場輸入的語音信號(hào)，送入立體聲音頻編解碼器AIC23中，AIC23控制芯片內(nèi)寄存器，將信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，用數(shù)字計(jì)算機(jī)處理數(shù)字信號(hào)，然后由數(shù)字濾波器濾波，再送到Flash存儲(chǔ)器暫存。數(shù)字濾波器是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)。程序語音模塊處理過程：首先初始化系統(tǒng)，包括設(shè)置時(shí)鐘發(fā)生器、AIC23的初始化、多通道緩沖、工作變量的初始等。

語音分析程序模塊處理過程：TLV320AIC23初始化，語音錄音數(shù)據(jù)讀取后存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，調(diào)用FIR數(shù)字濾波器濾波，效果突出，然后將數(shù)字語音信號(hào)暫存在閃存內(nèi)，最后由耳機(jī)發(fā)出，同時(shí)進(jìn)行FFT離散快速變換算法。語音數(shù)據(jù)輸出到MCBSP。語音分析子程序模塊流程圖如圖6所示。

圖6 子程序模塊流程圖Fig.6 Subroutine module flow chart

2.2 數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

使用窗函數(shù)的有限長，實(shí)現(xiàn)加窗線性相位FIR數(shù)字濾波器，能夠滿足轉(zhuǎn)移序列或脈沖響應(yīng)的常見問題。

n為濾波器的階數(shù)，Wn為截止頻率，ftype決定濾波器類型，high時(shí)為高通濾波器，stop時(shí)為帶阻濾波器。window采用窗函數(shù)類型，是一種通過截短和計(jì)權(quán)的方法使無限長非因果序列成為有限長脈沖應(yīng)響應(yīng)序列的設(shè)計(jì)方法，其默認(rèn)值為漢明窗，w=hamming（n），產(chǎn)生一個(gè)n點(diǎn)的漢明窗函數(shù)。編寫matlab程序，生成FIR系數(shù)存放在FH[n]中，程序運(yùn)行后在顯示區(qū)顯示結(jié)果。

FFT是快速計(jì)算DFT的高效方法，能夠顯著降低運(yùn)算量，大大提高DFT運(yùn)算速度。大部分DSP芯片能在單指令周期內(nèi)完成乘法累加運(yùn)算。FFT算法是利用DFT系數(shù)的特性，合并運(yùn)算，將長序列轉(zhuǎn)換為短序列DFT，以減少運(yùn)算量。FFT算法的實(shí)現(xiàn)過程：

1）把N點(diǎn)的 時(shí)域信號(hào)分解成N個(gè)時(shí)域信號(hào)，單點(diǎn)組成信號(hào)，并計(jì)算出頻譜。

2）輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)，即將輸入序列整理成位序顛倒的次序。位碼倒置可以提高程序執(zhí)行速度和存儲(chǔ)效率。

3）實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT，執(zhí)行3個(gè)循環(huán)套計(jì)算FFT變換，最內(nèi)層都進(jìn)行蝶形運(yùn)算，第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)至第log2N級(jí)都是蝶形運(yùn)算。序列點(diǎn)數(shù)N=2m，N為2的整數(shù)冪的FFT算法。

4）估計(jì)功率普 X（k）=∑X（n）WnkN，X（k）一般分成虛部和實(shí)部，計(jì)算時(shí)將FFT算法變換好的數(shù)據(jù)求平方和。

2.3 控制寄存器程序設(shè)計(jì)

本文的TLV320AIC23利用串行傳輸數(shù)據(jù)。前半部分?jǐn)?shù)據(jù)控制所需存放寄存器地址，后半部分將所要寫入的值保存在寄存器中。采用兩個(gè)8 bit處理串行傳輸?shù)目刂茢?shù)據(jù)。結(jié)合實(shí)際本文對于I2C寫入模塊采用匯編語言。

DSP通過I2C總線將配置命令發(fā)送到AIC23，完成初始化配置，然后AIC23開始工作。AIC23的初始化記錄在一個(gè)數(shù)組中，利用串口發(fā)送命令，采用循環(huán)方式發(fā)送。AIC23數(shù)據(jù)寫入時(shí)序圖如圖7。

圖7 AIC23控制寄存器數(shù)據(jù)寫入時(shí)序Fig.7 AIC23 control register data write timing

如圖中所示B[15～9]是記錄控制寄存器的地址，B[8～0]是要寫入的值被保存在寄存器中。

3 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了TMS320C5416DSP芯片的音頻信號(hào)濾波系統(tǒng)，結(jié)合音頻編解碼TLV320AIC23芯片、FLASH存儲(chǔ)器等完成語音錄放器硬件的設(shè)計(jì)過程；軟件設(shè)計(jì)分為語音設(shè)計(jì)子程序和控制寄存器程序設(shè)計(jì)。在CCS環(huán)境下的C語言編程，將外部輸入的語音信號(hào)，經(jīng)AIC23進(jìn)行采樣后保存在外擴(kuò)存儲(chǔ)器中，再經(jīng)過DSP帶緩沖串口MCBSP 2讀入DSP，經(jīng)過FIR濾波器濾除信號(hào)中的噪聲，最后進(jìn)行離散傅立葉快速變換再進(jìn)行播放。

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