基于DSP語音信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、. dsp課程論文（設(shè)計(jì)）題 目 基于dsp語音信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院 系 專 業(yè) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 二 一 四 年 五 月 二十八 日精品.基于dsp語音信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要：為了研究數(shù)字信號處理，提出了一個(gè)基于dsp tms320vc5502的語音信號采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。給出了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，具體硬件電路,包括系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)、存儲器設(shè)計(jì)、a/d接口電路設(shè)計(jì)、jtag接口設(shè)計(jì)、dsp與a/d芯片的連接等，以及軟件流程圖。通過matlab得到語音信號的波形和頻譜圖。實(shí)驗(yàn)表明: 所設(shè)計(jì)的基于dsp的硬件和軟件系統(tǒng)是一個(gè)很好的語音信號采集系統(tǒng),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰

2、，電路簡潔，易于實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：語音信號；數(shù)據(jù)采集；dsp；tlc320ad501.引言20世紀(jì)50年代以來，隨著數(shù)字信號處理各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，語音信號處理技術(shù)得到不斷提高, 語音合成、語音識別、語音記錄與語音控制等技術(shù)已開始逐步成熟并得到應(yīng)用。在語音信號處理過程中, 要實(shí)現(xiàn)語音信號處理技術(shù)的精確性、實(shí)時(shí)性目的，語音信號采集和無誤差存儲成為語音信號處理中的前提。tms320vc5502是德州儀器公司公司在2002年基于tms320vc5502推出的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，它采用修正的哈佛結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)程序存儲總線、3個(gè)數(shù)據(jù)存儲總線和4個(gè)地址總線，這種結(jié)構(gòu)允許同時(shí)執(zhí)行程序指令和對數(shù)據(jù)操作， 運(yùn)行速度快，

3、單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間為5ns，遠(yuǎn)高于語音信號采集和處理的要求。在語音信號采集中, 模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換（adc)的精度和實(shí)時(shí)性對后續(xù)信號處理過程起到了重要作用。設(shè)計(jì)中采用tlc320ad50完成語音信號的a/d轉(zhuǎn)換。tlc320ad50是ti公司提供的一款16 bit同步串口a/d和d/a轉(zhuǎn)換芯片，adc之后有1個(gè)抽取濾波器以提高輸入信號的信噪比, 其采樣頻率最高可達(dá)22.5 kb/s，滿足語音信號處理中關(guān)于采樣頻率的要求。2.總體設(shè)計(jì)基于tms320vc5502的語音信號采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖21所示，該系統(tǒng)的中央處理單元采用美國ti(德州儀器)公司的高性能定點(diǎn)數(shù)字信號處理芯片tms320v

4、c5502，tms320vc5502是ti公司推出的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，它采用修正的哈佛結(jié)構(gòu)，包括12組獨(dú)立總線，即1組程序讀總線，1組程序地址總線，3組數(shù)據(jù)讀總線，2組數(shù)據(jù)寫總線，5組數(shù)據(jù)地址總線。這種結(jié)構(gòu)允許同時(shí)執(zhí)行程序指令和對數(shù)據(jù)操作， 運(yùn)行速度快，單周期定點(diǎn)指令執(zhí)行時(shí)間為精品.10ns。在語音信號采集中, 模擬信號向數(shù)字信號轉(zhuǎn)換（adc)的精度和實(shí)時(shí)性對后續(xù)信號處理過程起到了重要作用。設(shè)計(jì)中采用tlc320ad50完成語音信號的a/d轉(zhuǎn)換。tlc320ad50是ti公司提供的一款32 bit同步串口a/d和d/a轉(zhuǎn)換芯片，adc之后有1個(gè)抽取濾波器以提高輸入信號的信噪比, 其采樣頻率最

5、高可達(dá)22.5 kb/s，滿足語音信號處理關(guān)于采樣頻率的要求。圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1 dsp核心模塊的設(shè)計(jì)tms320vc5502是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，核心處理部分。把緩存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到海量存儲器中，并對cpld邏輯的工作方式，工作時(shí)鐘進(jìn)行控制，同時(shí)還完成與上位機(jī)的通信。tms320vc5502有2個(gè)mac單元，4個(gè)40位累加器，能夠在單周期內(nèi)作2個(gè)17*17的乘法運(yùn)算。在這里，選用tms320vc5502的數(shù)據(jù)空間用做sram的擴(kuò)展，選用tms320vc5502的i/o空間用做flash擴(kuò)展。dsp核心模塊充當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的cpu的功能，除了承擔(dān)對ad轉(zhuǎn)換器送來的信號做相應(yīng)的處理之外，還驅(qū)動

6、rs-232串行通信鏈路將相應(yīng)的數(shù)據(jù)及時(shí)的傳到上位機(jī)上以備做之后的相關(guān)處理或計(jì)算，這就要求dsp芯片的處理能力相當(dāng)?shù)膹?qiáng)大和速度必須與adc相匹配，這一點(diǎn)tms320vc5502完全有能力做到。2.2 a/d轉(zhuǎn)換模塊a/d轉(zhuǎn)換模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分，它接收來自外部的信號或模擬數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給cpu做后續(xù)的處理。設(shè)計(jì)中采用精品.tlc320ad50完成語音信號的a/d轉(zhuǎn)換。tlc320ad50是ti公司提供的一款16 bit同步串口a/d和d/a轉(zhuǎn)換芯片，adc之后有1個(gè)抽取濾波器以提高輸入信號的信噪比, 其采樣頻率最高可達(dá)22.5 kb/s，滿足語音信號處理中關(guān)于采樣頻率

7、的要求。tlc320ad50(以下簡稱ad50 )是ti生產(chǎn)的多媒體音頻編解碼器芯片,它集成了16位a/d和d/a 轉(zhuǎn)換器,采樣速率最高可達(dá)22.05khz,其采樣速率可通過dsp編程來設(shè)置。在ad50內(nèi)部adc之后有抽樣濾波器,以提高輸入信號的信噪比,在dac之前有插值濾波器,以保證輸出信號平滑。ad50內(nèi)部有7個(gè)數(shù)據(jù)和控制寄存器,用于編程設(shè)置它們的工作狀態(tài)。由于語音信號的頻率范圍在200hz23400hz之間,采樣率一般設(shè)定為8khz,所以用ad50做ad轉(zhuǎn)換器非常合適。ad50的工作方式和采樣頻率均通過串口編程來實(shí)現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)是通過同一串行口進(jìn)行傳輸?shù)?所以ad50中有首

8、次通信和二次通信。首次通信專用于轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送,其時(shí)序如圖2所示。二次通信則用來設(shè)置和讀出寄存器的值,所有的寄存器都在二次通信時(shí)編程。啟動二次通信有兩種方法,一種是在fc上加高電平,第二種是將15位方式在首次通信的d in的lsb位置為1。ad50完成語音信號采集后,在dsp中進(jìn)行相應(yīng)的處理算法,語音信號經(jīng)處理再從ad50輸出。圖2-2 tms320vc5502芯片精品.3硬件設(shè)計(jì)由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖可知，系統(tǒng)主要包括實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的a/d模塊、掉電時(shí)存放程序的flash模塊、為dsp提供電源的外部電源模塊、時(shí)鐘模塊，復(fù)位電路模塊、實(shí)現(xiàn)程序下載的jtag接口模塊以及外接擴(kuò)展存儲器等幾個(gè)部分.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

9、框圖如圖2-1所示。3.1 dsp芯片作為dsp家庭高性價(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)用場合。與其它c(diǎn)54x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)的多總線結(jié)構(gòu)，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(shù)邏輯單元（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)輔助寄存器及一個(gè)軟件棧，允許使用業(yè)界最先進(jìn)的定點(diǎn)dsp c語言

10、編譯器；數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g為1m16bit，內(nèi)置4k16bit rom和16k16bit ram；內(nèi)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c54x系列的其它芯片相比，c5402具有高性能、低功耗和低價(jià)格等特點(diǎn)。它采用6級流水線,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；芯片內(nèi)部ram和rom可根據(jù)pmst寄存器中的ovly和drom位靈活設(shè)置。這些都有利于算法的優(yōu)化。3.2 電源設(shè)計(jì)為了降低芯片功耗，c54x系列芯片大部分都采用低電壓設(shè)計(jì)，并且采用雙

11、電源供電，即內(nèi)核電源cvdd：采用1.8v，主要為芯片的內(nèi)部邏輯提供電壓，包括cpu、時(shí)鐘電路和所有的外設(shè)邏輯；i/o電源dvdd：采用3.3v，主要供i/o接口使用?？芍苯优c外部低壓器件接口，而無需額外的電平變換電路。dsp芯片采用的供電方式，主要取決于應(yīng)用系統(tǒng)中提供什么樣的電源。在實(shí)際中，大部分?jǐn)?shù)字系統(tǒng)所使用的電源可工作于5v或3.3v，本設(shè)計(jì)采用ti公司提供的雙電源芯片： tps73hd318電源的最大輸出電流為750ma，并且提供兩個(gè)寬度為200ms的低電平復(fù)位脈沖。電路圖如圖3-1所示。精品. 圖3-1由tps7301 芯片組成的電源電路3.3 復(fù)位電路設(shè)計(jì)tms320vc5502的

12、復(fù)位輸入引腳rs為處理器提供了一種硬件初始化的方法,它是一種不可屏蔽的外中斷,可在任何時(shí)候?qū)ms320vc5502進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)上電后，rs引腳應(yīng)至少保持5個(gè)時(shí)鐘周期穩(wěn)定的低電平，以確保數(shù)據(jù)、地址和控制線的正確配置。復(fù)位后(rs回到高電平)，cpu從程序存儲器的ff80h單元取指，并開始執(zhí)行程序。本設(shè)計(jì)采用手動復(fù)位電路（如圖3-2）。 圖3-2 手動復(fù)位電路3.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用來為c54x芯片提供時(shí)鐘信號，由一個(gè)內(nèi)部振蕩器和一個(gè)鎖相環(huán)pll組成，可通過芯片內(nèi)部的晶體振蕩器或外部的時(shí)鐘電路驅(qū)動。利用dsp芯片內(nèi)部提供的晶振電路，在dsp芯片的x1、x2之間連接晶體振蕩器。使用芯片內(nèi)

13、部的振蕩器在芯片的x1和x2/clkin引腳之間接入一個(gè)晶體,用于啟動內(nèi)部振蕩器。時(shí)鐘電路圖如圖3-3。精品. c1=c2=20pf圖3-3時(shí)鐘模塊電路3.5 程序存儲器擴(kuò)展設(shè)計(jì)flash存儲器用以擴(kuò)展程序存儲器 at29lv1024是1m位的flash存儲器flash存儲器與eprom相比，具有更高的性能價(jià)格比，而且體積小、功耗低、可電擦寫、使用方便，并且3.3v的flash可以直接與dsp芯片連接。地址線：a0a15；數(shù)據(jù)線：i/o0i/o15；控制線：片選信號；編程寫信號；輸出使能信號。擴(kuò)展連接圖如圖3-4。 圖3-4程序存儲器擴(kuò)展電路3.6數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)和系統(tǒng)程序的存

14、儲，tms320vc5502必須有外接擴(kuò)展存儲器。tms320vc5502 的速度為100 mi/s，為保證dsp運(yùn)行速度，需要外部存儲器的速度接近10ns。系統(tǒng)選擇icsi64lv16作為外部存儲器，其容量64k字16 bit。其硬件連接圖如圖3-5所示。精品.圖3-5數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路3.7 jtag接口設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，通過jtag測試口訪問和調(diào)試dsp芯片。jtag是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議(ieee 1149.1兼容)，針對現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路測試、檢驗(yàn)困難而提出的基于邊界掃描機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)測試存取口的國際標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)jtag測試端口包括4個(gè)必選引腳和一個(gè)可選的異步j(luò)tag的復(fù)位引腳trst，分別

15、是工作模式選擇引腳tms，串行數(shù)據(jù)輸入引腳tdi，串行數(shù)據(jù)輸出引腳tdo，端口工作時(shí)鐘引腳tck。jtag接口引腳連接如圖3-6所示。圖3-6 jtag接口引腳連接圖3.8 a/d接口電路設(shè)計(jì)a/d轉(zhuǎn)換模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分，它接收來自外部的信號或模擬數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳遞給cpu做后續(xù)的處理。tlc320ad50是一款sigma- delta 型單片音頻接口芯片, 通過串行口與dsp 或其它設(shè)備通信。它內(nèi)部集成了16 位的d/a 和a/d 轉(zhuǎn)換器, 采樣速率最高可達(dá)22.05 kb/s, 其采樣速率可通過dsp 編程來設(shè)置。設(shè)置ad50時(shí)，串行通信數(shù)據(jù)最低為高電平。在dac

16、之前有一個(gè)插值濾波器以保證輸出信號平滑, adc 精品.之后有一個(gè)抽取濾波器以提高輸入信號的信噪比。ad50 的發(fā)送和接收可以同時(shí)進(jìn)行。參考ad50 的產(chǎn)品手冊文獻(xiàn), 得出tms320vc5502與tlc320ad50的連接方法如圖3-7所示圖3-7 tlc320ad50與 tms320vc5502 串行口的連接4 軟件設(shè)計(jì)4.1 matlab 環(huán)境中的語音信號采集和處理仿真matlab 是美國math works 公司推出的一種面向工程和科學(xué)計(jì)算的交互式計(jì)算軟件，在matlab 環(huán)境中，可以通過多種編程方法驅(qū)動聲卡實(shí)現(xiàn)對語音信號的采集和播放，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐

17、富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析使用matlab 語言編程可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、聲音回放以及各種分析圖的呈現(xiàn)等等下面給出一個(gè)matlab 程序，讀入一個(gè)采樣頻率為 22.050 khz、16 位單聲道的wav 文件，然后播放并做語音信號的波形圖、頻譜圖和倒譜圖（見圖4-1），具體程序如下：精品.y,fs,bits=wavread(c:documents and settingsadministrator桌面zz.wav);%讀一個(gè)已保存的wav 語音文件wavpl

18、ay(y,fs); %播放語音文件t=(0:length(y)-1)/fs; %計(jì)算語音播放時(shí)間figure(1);subplot(3,1,1); %確定語音波形的顯示位置plot(t,y); %畫波形圖legend(波形圖);xlabel(時(shí)間(s); %x 軸的標(biāo)題ylabel(幅度); %y 軸的標(biāo)題x=fft(y.*hamming(length(y); %加hamming 窗快速傅立葉變換fm=10000*length(x)/fs; %限定頻率范圍f=(0:fm)*fs/length(x); %確定頻率刻度subplot(3,1,2); %確定語音波形的顯示位置plot(f,20*lo

19、g10(abs(x(1:length(f)+eps); %畫頻譜圖legend(頻譜圖);xlabel(頻率（hz）);ylabel(頻譜幅度（db）);c=fft(log(abs(x)+eps); % 倒頻譜計(jì)算ms1=fs/1000;ms20=fs/50;q=(ms1:ms20)/fs; %確定倒頻刻度subplot(3,1,3);plot(q,abs(c(ms1:ms20); %畫倒譜圖legend(倒譜圖);xlabel(倒頻（）);ylabel(倒頻譜幅度);圖4-1 matlab 環(huán)境中做出的語音信號的波形圖、頻譜圖和倒譜圖精品.4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如圖4-2。 圖4-2主程序流程圖5 總結(jié)本文紹了由tms320vc5502 和tlc320ad50 組成的語音信號采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì). ad50c豐富的可編程功能設(shè)置使系統(tǒng)能方便的實(shí)現(xiàn)不同采樣率的轉(zhuǎn)換, 輸入輸出增益控制, 轉(zhuǎn)換前后的抗混疊與均值濾波等。vc5502的強(qiáng)大信號處理能力使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的信號