基于DSP的語(yǔ)音采集回放處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

代淑芬

摘 要：DSP語(yǔ)音采集回放處理平臺(tái)是以TMS320C5402DSP為核心，對(duì)外部語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集，并對(duì)所采集信號(hào)進(jìn)行語(yǔ)音處理，最后通過(guò)外部設(shè)備回放。該系統(tǒng)適合對(duì)單語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行處理。由于設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的A/D、D/A芯片是TI公司的TLC320AD50，所以最高采樣速率為22.05KHZ。為了驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的正確性和可用性，對(duì)采集的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行FIR濾波，濾除50HZ交流信號(hào)，并抑制頻率在3600HZ以上的語(yǔ)音信號(hào)。所設(shè)計(jì)的濾波器是帶通濾波器，通帶為200HZ—3400HZ，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了預(yù)期的濾波效果。

關(guān)鍵詞：DSP；語(yǔ)音采集；電路

1 系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于TMS320VC5402 DSP的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)同步串口實(shí)現(xiàn)DSP與AD50之間的數(shù)據(jù)通信，結(jié)合模擬濾波電路、模擬放大電路和功放電路，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的FIR濾波，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的可用性、可靠性、穩(wěn)定性及其實(shí)用性。

1.1 系統(tǒng)方案選擇

系統(tǒng)模塊主要有：基于TMS320VC5402芯片最小系統(tǒng)電路、電源。AD和DA屬于子板內(nèi)容。

設(shè)計(jì)時(shí)基于系統(tǒng)的實(shí)用性和可擴(kuò)展性考慮，對(duì)DSP的數(shù)據(jù)線和地址線，HIP口，串行口，都引出引腳以備擴(kuò)展用，電源的設(shè)計(jì)也考慮到了后面子板的需要。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)以DSP芯片為核心，對(duì)其各個(gè)接口進(jìn)行擴(kuò)展，圖1為系統(tǒng)框圖 。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2.2 電源設(shè)計(jì)

TMS320C5402的I/O工作電壓是3.3V，因此，其I/O電平也是3.3V邏輯電平。在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)，除了DSP芯片外，必須設(shè)計(jì)DSP芯片與其他外圍芯片的接口，如果外圍芯片的工作電壓也是3.3V，那么就可以直接連接。本次設(shè)計(jì)在系統(tǒng)一開(kāi)始構(gòu)建時(shí)就考慮到這問(wèn)題，為了使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單化，節(jié)省制作時(shí)間，在器件的選用上，都采用3.3V的。

1.2.3 復(fù)位電路

系統(tǒng)上電后，晶體振蕩器一般需要100～200ms的穩(wěn)定期，同時(shí)DSP芯片也正處于復(fù)位狀態(tài)。為使芯片初始化正確，一般應(yīng)保證為低至少持續(xù)3個(gè)CLKOUT周期。

1.2.4 時(shí)鐘電路

給DSP芯片提供時(shí)鐘是利用DSP芯片內(nèi)部所提供的晶振電路，在DSP芯片的X1和X2/CLKIN之間連接一個(gè)晶體起動(dòng)內(nèi)部振蕩器。

1.2.5 JTAG接口

DSP芯片內(nèi)部是通過(guò)移位寄存器掃描鏈實(shí)現(xiàn)掃描仿真，這個(gè)掃描鏈被外部的串行口訪問(wèn)。采用掃描仿真，即使芯片已經(jīng)焊在電路板上，也可以進(jìn)行仿真調(diào)試，這對(duì)于調(diào)試DSP系統(tǒng)帶來(lái)極大的方便。C5402 DSP的仿真器接口采用JTAG標(biāo)準(zhǔn)IEEE 1149.1。目標(biāo)代碼通過(guò)掃描接口從PC下載到目標(biāo)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，一般下載1K字節(jié)的代碼需要100ms。

1.2.6 存儲(chǔ)器接口

此次設(shè)計(jì)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展，因?yàn)镃5402具有20條地址線，所以映射程序空間最大為16頁(yè)（64K16bit/頁(yè)），即1024K16bit的空間大小。當(dāng)OVLY=1時(shí)，第一頁(yè)至第15頁(yè)的低端16K16bit是映射到第0頁(yè)上的相應(yīng)地址處；當(dāng)OVLY=0時(shí)，這些頁(yè)是獨(dú)立的。

1.2.7 串行口與A/D/A的接口

TMS3205402有兩個(gè)串行口，每個(gè)串口都有數(shù)據(jù)接收、發(fā)送端，接收、發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，還有接收、發(fā)送同步信號(hào)。通過(guò)這些端口對(duì)TLC320AD50進(jìn)行控制，就能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與外部數(shù)據(jù)的交流。TLC320AD50C是TI公司的語(yǔ)音編碼芯片，作A/D，D/A轉(zhuǎn)換用。片內(nèi)采用∑-△轉(zhuǎn)換方法，16位線性編碼，最高采樣率可達(dá)22.05KHz。本設(shè)計(jì)用8KHz采樣，在語(yǔ)音信號(hào)中是足夠的，內(nèi)置時(shí)鐘分頻及PLL電路組成可編程采樣率發(fā)生器，使用8.192MHz有源晶振作時(shí)鐘源。

1.2.8 外部功放

外部通過(guò)麥克風(fēng)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行采集，對(duì)采集到的語(yǔ)音進(jìn)行濾波，放大，再將處理過(guò)的信號(hào)送入A/D，通過(guò)D/A將語(yǔ)音送到功放，最后經(jīng)過(guò)耳機(jī)送出。

1.2.9 FIR濾波器的設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波是語(yǔ)音和圖像處理、模式識(shí)別、譜分析等應(yīng)用中的一個(gè)基本的處理算法。與模擬濾波相比，數(shù)字濾波具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)，例如它可以滿足濾波器對(duì)幅度和相位特性的嚴(yán)格要求，可以避免模擬濾波所無(wú)法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問(wèn)題。用DSP芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波除了具有穩(wěn)定性好、精度高、不受環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈活性好的特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的是FIR濾波器。首先通過(guò)MATLAB進(jìn)行FIR濾波器的設(shè)計(jì)，求出濾波器系數(shù)。具體做法如下：

通過(guò)MATLAB中的濾波器設(shè)計(jì)工具箱，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。主要處理的是語(yǔ)音信號(hào)，因?yàn)樾盘?hào)中含有50HZ的交流信號(hào)，要把這部分信號(hào)濾掉，因此采用帶通濾波。通帶為60HZ—3400HZ。采樣頻率Fs=8KHZ，第一截止頻率Fstop1=60HZ，第一通帶頻率Fpass1=200HZ，第二通帶頻率Fpass2=3400HZ，第二截止頻率Fstop2=3600HZ。 濾波系數(shù)求出后，可設(shè)計(jì)該濾波器。在C54X系列的DSP中用macd指令完成卷積運(yùn)算。

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 調(diào)試方法

電路設(shè)計(jì)時(shí)各系統(tǒng)里模塊分明、信號(hào)流向清晰，因此調(diào)試時(shí)按照信號(hào)流向進(jìn)行調(diào)試，分模塊校準(zhǔn)，具體為先按信號(hào)流向順序后整機(jī)參數(shù)較檢的方法測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)，提高了調(diào)試效率。

2.2 硬件調(diào)試

首先，檢查電源電路。先檢查電源與地、電源與電源之間有沒(méi)有短路；再上電檢查，用萬(wàn)用表測(cè)試各電源電壓。無(wú)誤后檢查各芯片電源引腳的電壓準(zhǔn)確性。

第二，確保電源無(wú)誤，焊接DSP芯片及其基本外圍電路復(fù)位、時(shí)鐘和XF測(cè)試燈LED。確保引腳間不短路后，上電測(cè)試DSP芯片時(shí)鐘輸出端時(shí)鐘狀態(tài)正確性，然后編寫一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試程序驗(yàn)證DSP芯片的工作情況，讓XF測(cè)試燈閃爍。

第三，完成以上兩個(gè)步驟后再逐個(gè)焊接其他貼片芯片并逐個(gè)檢查驗(yàn)證無(wú)誤后最后再焊接插針等擴(kuò)展接口。

第四，對(duì)子板的調(diào)試。為了保證采集到的信號(hào)能夠減少干擾，并對(duì)信號(hào)放大10倍，在開(kāi)始設(shè)計(jì)的時(shí)候單獨(dú)制作該部分電路。在調(diào)試的過(guò)程中，濾波電容和耦合電容的接入是很必要的。在信號(hào)線經(jīng)過(guò)的線路，要盡量的短，線盡量粗。目的是減少不必要的干擾，實(shí)驗(yàn)證明效果很好，語(yǔ)音很清晰。

第五，A/D、D/A模塊的調(diào)試。在調(diào)試的過(guò)程中，先在A/D的輸入端輸入一正弦波，f<8KHZ，電壓不大于1V，在D/A的輸出端用示波器觀察輸出，可看到一個(gè)與輸入頻率相同的正弦波，但幅值稍有不同。要注意的是，這部分電路在調(diào)試時(shí)要單獨(dú)調(diào)試，不要與前端運(yùn)放相連。因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放后，波形已經(jīng)有一定的失真，不好觀察A/D、D/A的效果。

2.3 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試使用CCS2.0 DSP開(kāi)發(fā)軟件。調(diào)試時(shí)以C語(yǔ)言編程為主，結(jié)合簡(jiǎn)單的C與匯編混合編程。測(cè)試XF引腳的工作狀態(tài)。用指令“asm（“ ssbx xf”）和asm（“ rsbx xf”）”對(duì)XF引腳操作。AD數(shù)據(jù)采集。AD50能達(dá)到22.05KHZ的采樣率。

對(duì)采集到的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行FIR濾波運(yùn)算。程序采用中斷的方法。主程序一直在等待中斷，當(dāng)有新數(shù)據(jù)到達(dá)DRR端時(shí)，觸發(fā)中斷，調(diào)用中斷程序，并運(yùn)行中斷程序。通過(guò)CCS2.0觀察比較濾波前后的波形，可以看到語(yǔ)音經(jīng)過(guò)FIR濾波后， 200Hz以下的信號(hào)被明顯的抑制，降低了二十幾個(gè)dB，并且3600Hz以上的頻率分量明顯被抑制。

3 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)硬件上完成了一個(gè)基于TMS320C542芯片的單通道語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)，包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，子板包括A/D/A與DSP的接口電路、濾波電路、放大電路。并在此平臺(tái)上用FIR濾波算法對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行濾波處理，經(jīng)過(guò)測(cè)試，證明了本系統(tǒng)板的開(kāi)發(fā)集可用性、實(shí)用性、可靠性、穩(wěn)定性和靈活性于一身，為普通用戶提供了一個(gè)實(shí)用的DSP開(kāi)發(fā)平臺(tái)。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)空間大，接口方便，使用靈活，便于用戶擴(kuò)展功能。

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