音频信号采样与处理系统方案设计

音频信号采样与处理系统方案设计

姓名：杨宁

学号： 14020181051

专业：电子信息工程

学院：电子工程学院

指导老师：那彦

I

音频信号采样与处理系统方案设计

目录

第1章理论依据2

1.1音频信号的介绍2

1.2采样频率2

1.1 TMS320VC5402介绍2

1.2 TLC320AD50介绍 6 第2章系统方案设计8

2.1 DSP核心模块的设计8

2.2 A/D转换模块9 第3章硬件设计10

3.1 DSP芯片10

3.2 电源设计10

3.3复位电路设计11

3.4 时钟电路设计12

3.5 程序存储器扩展设计12

3.6数据存储器扩展设计13

3.7 JTAG接口设计13

3.8 A/D接口电路设计14 第4章软件设计15 第5章总结17 参考文献18 致谢19 附录20

I

音频信号采样与处理系统方案设计

摘要

在研究数字信号处理的基础上，提出了一个基于DSP TMS320VC5402和A/D转换芯片TLC320AD50的音频信号采集系统的设计。给出了该系统的总体设计方案，具体硬件电路,包括系统电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D接口电路设计、JTAG接口设计、DSP与A/D芯片的连接等，以及软件流程图。

关键词：音频信号数据采集DSP TLC320AD50

ABSTRACT

On the basis of studying digital signal processing, The design of A audio signal acquisition system based on DSP TMS320VC5402 and A/D conversion chip TLC320AD50 is proposed. Overall design scheme of the system is given, and the specific hardware circuit, including the system power supply design, design of reset circuit, clock circuit design, design of memory, A/D interface circuit, JTAG interface, DSP and the connection of A/D chip, and software flow chart.

Key words: audio signal data collection DSP TLC320AD50

I

绪论

1.1 选题背景及意义

语言是人类特有的功能，它是创造和记载几千年人类文明史的根本手段，没有语言就没有今天的人类文明。语音是语言的声学表现，是相互传递信息的最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。通过语言相互传递信息是人类最重要的基本功能之一。让计算机能听懂人类的语言，是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息。

通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语言是人类持有的功能．声音是人类常用的工具，是相互传递信息的最主要的手段。因此，语音信号是人们构成思想疏通和感情交流的最主要的途径。并且，由于语言和语音与人的智力活动密切相关，与社会文化和进步紧密相连，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平[3]。现在，人类已开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。

让计算机能听懂人类的语言，是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法。随着计算机越来越向便携化方向发展，随着计算环境的日趋复杂化，人们越来越迫切要求摆脱键盘的束缚而代之以语音输人这样便于使用的、自然的、人性化的输人方式。作为高科技应用领域的研究热点，语音信号采集与分析从理论的研究到产品的开发已经走过了几十个春秋并且取得了长足的进步。它正在直接与办公、交通、金融、公安、商业、旅游等行业的语音咨询与管理．工业生产部门的语声控制，电话、电信系统的自动拨号、辅助控制与查询以及医疗卫生和福利事业的生活支援系统等各种实际应用领域相接轨，并且有望成为下一代操作系统和应用程序的用户界面。可见，语音信号采集与分析的研究将是一项极具市场价值和挑战性的工作。我们今天进行这一领域的研究与开拓就是要让语音信号处理技术走。

语音信号采集与分析之所以能够那样长期地、深深地吸引广大科学工作者去不断地对其进行研究和探讨，除了它的实用性之外，另一个重要原因是，它始终与当时信息科学中最活跃的前沿学科保持密切的联系．并且一起发展。语音信号采集与分析是以语音语言学和数字信号处理为基础而形成的一门涉及面很广的综合性学科，与心理、生理学、计算机科学、通信与信息科学以及模式识别和人工智能等学科都有着非常密切的关系。

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对语音信号采集与分析的研究一直是数字信号处理技术发展的重要推动力量。因为许多处理的新方法的提出，首先是在语音信号处理中获得成功，然后再推广到其他领域。

1.2 语音信号在国内外研究现状

语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科，是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。

60年代之前的发展主要有：1876年Bell发明电话，1939年H.Dudley研制成功第一个声码器，1942年Bell实验室发明了语谱仪，1948年美国Haskin实验室研制成功“语图回放机”，1952年Bell实验室研制成能识别十个英语数字的识别器。60年代以后，随着计算机技术的发展，语音信号处理技术获得了长足的进步，计算机模拟实验取代了硬件研制的传统做法。各种突破性的思想不断涌现。20世纪60年代中期形成的一系列数字信号处理的理论和算法，如数字滤波器、快速傅立叶变换（FFT）等是语音信号数字处理的理论和技术基础，主要的有Martin等人为邮局研制了邮政编码阅读机。随着信息科学技术的飞速发展，语音信号处理取得了重大的进展：进入70年代之后，提出了用于语音信号的信息压缩和特征提取的线性预测技术（LPC），并已成为语音信号处理最强有力的工具，广泛应用于语音信号的分析、合成及各个应用领域，以及用于输入语音与参考样本之间时间匹配的动态规划方法；

20世纪80年代，由于矢量量化，隐马尔可夫模型和人工神经网络(ANN)的研究取得了迅速发展，并相继被应用与语音信号处理，经过不断的改进与完善，使得语音信号处理技术产生了突破型的进展。进入20世纪90年代以来，语音信号的采集与分析在实用化这一方面取得了很多的实质性的进展。语音信号处理的各项课题是促进其发展的重要动力之一，同时，它的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术之中。

1.3 本文主要工作

本次音频信号的采集与处理的设计主要是基于DSP TMS320VC5402和A/D转换芯片TLC320AD50的语音信号采集系统的设计。给出了该系统的总体设计方案，具体硬件电路,包括系统电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D 接口电路设计、JTAG接口设计、DSP与A/D芯片的连接等，以及软件流程图。

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第1章理论依据

20世纪50年代以来，随着数字信号处理各项技术的发展，语音信号处理技术得到不断提高, 语音合成、语音识别、语音记录与语音控制等技术已开始逐步成熟并得到应用。在语音信号处理过程中, 要实现语音信号处理技术的精确性、实时性目的，语音信号采集和无误差存储成为语音信号处理中的前提。TMS320VC5402是TI公司推出的定点数字信号处理器，它采用修正的哈佛结构，包括1个程序存储总线、3个数据存储总线和4个地址总线，这种结构允许同时执行程序指令和对数据操作，运行速度快，单周期定点指令执行时间为10NS，远高于语音信号采集和处理的要求。在语音信号采集中, 模拟信号向数字信号转换（ADC)的精度和实时性对后续信号处理过程起到了重要作用。设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。TLC320AD50是TI公司提供的一款16 BIT同步串口A/D和D/A转换芯片，ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 KB/S，满足语音信号处理中关于采样频率的要求。

1.1音频信号的介绍

音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。声音的三个要素是音调、音强和音色。声波或正弦波有三个重要参数：频率ω0、幅度A n和相位ψn，这也就决定了音频信号的特征。

1.2采样频率

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax 的2倍时，即：fs.max>=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。这就保证了音频信号采样的不失真性。

1924年奈奎斯特(Nyquist)就推导出在理想低通信道的最高大码元传输速率的公式:想低通信道的最高大码元传输速率=2W*log2 N (其中W是理想低通信道的带宽,N是电平强度)

1.3 TMS320VC5402介绍

TMS320VC5402是基于一个先进的哈佛结构:一个指令存储总线和三个数据存

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储总线。此处理器提供一个具有高平行度的算术逻辑单元、特殊功效的硬件逻辑、片上存储器和附加的外围芯片。操作灵活和快速的DSP原理及专用的指令系统。独立的程序和数据空间允许他同时并行地访问指令和数据，提供了高度的平行性。在一个独立的周期内可以同时执行一次写操作和两次读操作。并行的指令存储和特殊功用的指令都可以完全的被在一个机器周期内执行。数据可以在程序空间或数据空间内传输（见图1.1输入输出时序图）。这一并行操作是算术、逻辑以及二进制运算的强大的机制。另外，C5402还包括控制机制从而可以处理中断、循环、程序调用。

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图1.1 输入输出时序图

C5402设备提供片上ROM 和RAM 来帮助系统完成执行任务和系统的综合。C5402映射到片上一块4K×16BIT ROM 。用户可以根据自己的需要来设置ROM 的编程实现自己应用目的。安全选项可以用来保护自定义的ROM 。系统的引导可以在C5402的片上ROM 中利用。这段引导程序在上电时可以主动的把用户代码程序从片外存储器中装载进来。但如果引脚MP/MC 在硬件复位时被采样低电平，那么程序将从ROM 的FF8H0处开始执行。这个区域包含了启动引导程序的分支指令。C5402引导提供了不同装载程序的方法以便适应不同系统的需求：并行的8位时16位EPROM 并行的8位I/O 空间或16位模式8位或时16位的串口模式主机端口引导。

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图1.2 TMS320VC5402的引脚图

中断和陷阱向量都被定义地址到程序空间。这些向量是软的---也就是说当遇到陷阱时，处理器的PC装入陷阱向量从而让处理器去处理向量位置处的程序。每个向量地址都有四个字空间被保留，以便适应延迟的分叉指令，不管是一字指令还是两字指令，只要是允许中断分支服务与正常的服务。在系统复位时，复位、中断和陷阱向量都被映射到程序地址空间FF80H。然而，这些向量可以被重新映射到128字页的程序空间当系统复位时。这将PMTR寄存器装载中断向量标志位被完成。在完成装载IPTR之后，任何用户中断或陷阱向量将会被映射到新的128数字的页面上来。

C5402在程序空间规划时用一个可扩展的页存储器，它允许访问1024K的程序存储器空间数据存储器空间用于存储需要程序处理的数据或程序处理后的结果。通过对处理器方式状态寄存器PMST的DROM位的设置，将片内ROM配置在数据存储器空间（DROM=1），这样，可以用指令将片内ROM作为数据存储器中的数据ROM来读取。复位时，DROM位被清0；64K字的数据存储器空间包括数据存储器映像寄存器，0000H～001FH是常用的CPU寄存器地址，0020H～005FH是片内外设寄存器的地址。

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I/O 空间用于与外部存储器映像的外设接口，也可以用于扩展外部数据存储空间，

除程序存储器空间和数据存储器空间外，C54X 系列器件还提供了I/O 存储器空间，利用I/O 空间可以扩展外部存储器。I/O 存储器空间为64K 字（0000H ～FFFFH ），有两条指令PORTR 和PORTW 可以对I/O 存储器空间操作，读写时序与程序存储器空间和数据存储器空间有很大不同。TMS320VC5402存储器分配情况如图1.3存储器分配图所示，当存储空间超过64K 之后，TMS320VC5402采用了分页机制，进行程序扩展见图1.4存储器分页机制所示。

0000H

007FH 0080H

34000H

0000H

007FH 0080H

34000H 程序空间：页0

程序空间：页0

FF7FH FF80H FF7FH FF80H F000H FF00H

0000H 005FH

0080H 3FFFH 4000H

数据空间

FF7FH

FF80H

EFFFH

F000H

FF00H

0060H 007FH MP/MC=1（微处理器模式）

MP/MC=0

（微型计算机模式）

图1.3 存储器分配图

0 0000H

0 F 1 2 0000H

2 4000H

......

......F F 4000H

F FFFFH

XPC=0

XPC=1

XPC=2

XPC=15

图1.4存储器分页机制

1.4 TLC320AD50介绍

TLC320AD50(以下简称AD50 )是TI 生产的多媒体音频编解码器芯片,它集成了

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16位A/D和D/A 转换器,采样速率最高可达22.05KHZ,其采样速率可通过DSP编程来设置。在AD50内部ADC之后有抽样滤波器,以提高输入信号的信噪比,在DAC 之前有插值滤波器,以保证输出信号平滑。AD50内部有7个数据和控制寄存器,用于编程设置它们的工作状态。由于语音信号的频率范围在200HZ～23400HZ之间,采样率一般设定为8KHZ,所以用AD50做AD转换器非常合适。AD50的工作方式和采样频率均通过串口编程来实现。由于转换的数据和控制数据是通过同一串行口进行传输的,所以AD50中有首次通信和二次通信。首次通信专用于转换数据的传送。二次通信则用来设置和读出寄存器的值,所有的寄存器都在二次通信时编程。启动二次通信有两种方法,一种是在FC上加高电平,第二种是将15位方式在首次通信的D IN的LSB位置为1。AD50完成语音信号采集后,在DSP中进行相应的处理算法,语音信号经处理再从AD50输出。

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第2章系统方案设计

基于TMS320VC5402的语音信号采集系统的结构如图2.1所示，该系统的中央处理单元采用美国TI(德州仪器)公司的高性能定点数字信号处理芯片TMS320VC5402，TMS320VC5402是TI公司推出的定点数字信号处理器，它采用修正的哈佛结构，包括1个程序存储总线、3个数据存储总线和4个地址总线，这种结构允许同时执行程序指令和对数据操作，运行速度快，单周期定点指令执行时间为10NS。在语音信号采集中, 模拟信号向数字信号转换（ADC)的精度和实时性对后续信号处理过程起到了重要作用。设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。TLC320AD50是TI公司提供的一款16 BIT同步串口A/D和D/A转换芯片，ADC 之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 KB/S，满足语音信号处理中关于采样频率的要求。

图2.1系统结构框图

2.1 DSP核心模块的设计

TMS320VC5402是整个数据采集系统中，核心处理部分。把缓存器的数据转存到海量存储器中，并对CPLD逻辑的工作方式，工作时钟进行控制，同时还完成与上位机的通信。TMS320VC5402有20根地址线，16根数据线，可以寻址1M的地址空间，在这里，选用TMS320VC5402的数据空间用做SRAM的扩展，选用TMS320VC5402的I/O空间用做FLASH扩展。

DSP核心模块充当整个系统的CPU的功能，除了承担对A\D转换器送来的信

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号做相应的处理之外，还驱动RS-232串行通信链路将相应的数据及时的传到上位机上以备做之后的相关处理或计算，这就要求DSP芯片的处理能力相当的强大和速度必须与ADC相匹配，这一点TMS320VC5402完全有能力做到。

2.2 A/D转换模块

A/D转换模块是整个系统的主要部分，它接收来自外部的信号或模拟数据，然后经过处理转换成数字信号传递给CPU做后续的处理。设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。TLC320AD50是TI公司提供的一款16 BIT同步串口A/D 和D/A转换芯片，ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比, 其采样频率最高可达22.5 KB/S，满足语音信号处理中关于采样频率的要求。

TLC320AD50(以下简称AD50)是TI生产的多媒体音频编解码器芯片,它集成了16位A/D和D/A转换器,采样速率最高可达22.05KHZ,其采样速率可通过DSP 编程来设置。在AD50内部ADC之后有抽样滤波器,以提高输入信号的信噪比,在DAC 之前有插值滤波器,以保证输出信号平滑。AD50内部有7个数据和控制寄存器,用于编程设置它们的工作状态。由于语音信号的频率范围在200HZ～23400HZ之间,采样率一般设定为8KHZ,所以用AD50做转换A/D器非常合适。AD50的工作方式和采样频率均通过串口编程来实现。由于转换的数据和控制数据是通过同一串行口进行传输的,所以AD50中有首次通信和二次通信。首次通信专用于转换数据的传送。二次通信则用来设置和读出寄存器的值,所有的寄存器都在二次通信时编程。启动二次通信有两种方法,一种是在FC上加高电平,第二种是将15位方式在首次通信的DIN的LSB位置为1。AD50完成语音信号采集后,在DSP中进行相应的处理算法,语音信号经处理再从AD50输出。

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第3章硬件设计

3.1 DSP芯片

作为DSP家庭高性价比代表的16位定点DSP芯片，C5402适用于语音通信等实时嵌入应用场合。与其它C54X芯片一样,C5402具有高度灵活的可操作性和高速的处理能力。其性能特点如下：操作速率可达100MIPS;具有先进的多总线结构，三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线；40位算术逻辑单元（ALU），包括一个40位桶形移位器和两个40位累加器；一个17×17乘法器和一个40位专用加法器，允许16位带/不带符号的乘法；整合维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度;单周期正规化及指数译码；8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业界最先进的定点DSP C语言编译器；数据/程序寻址空间为1M×16BIT，内置4K×16BIT ROM和16K×16BIT RAM；内置可编程等待状态发生器、锁相环（PLL）时钟产生器、两个多通道缓冲串口、一个与外部处理器通信的8位并行HPI口、两个16位定时器以及6通道DMA控制器且低功耗。与C54X系列的其它芯片相比，C5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。它采用6级流水线,且当RPT（重复指令）时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令；芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY 和DROM位灵活设置。这些都有利于算法的优化。

3.2 电源设计

为了降低芯片功耗，C54X系列芯片大部分都采用低电压设计，并且采用双电源供电，即内核电源CVDD：采用1.8V，主要为芯片的内部逻辑提供电压，包括CPU、时钟电路和所有的外设逻辑；I/O电源DVDD：采用3.3V，主要供I/O接口使用。可直接与外部低压器件接口，而无需额外的电平变换电路。DSP芯片采用的供电方式，主要取决于应用系统中提供什么样的电源。在实际中，大部分数字系统所使用的电源可工作于5V或3.3V，本设计采用TI公司提供的双电源芯片：TPS73HD318电源的最大输出电流为750MA，并且提供两个宽度为200MS的低电平复位脉冲。电路图如图3.1所示。

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图3.1由TPS73HD318芯片组成的双电源电路

3.3 复位电路设计

TMS320VC5402的复位输入引脚RS为处理器提供了一种硬件初始化的方法,它是一种不可屏蔽的外中断,可在任何时候对TMS320VC5402进行复位。当系统上电后，RS引脚应至少保持5个时钟周期稳定的低电平，以确保数据、地址和控制线的正确配置。复位后(RS回到高电平)，CPU从程序存储器的FF80H单元取指，并开始执行程序。本设计采用由TPS3707-33组成的自动复位电路（如图3.2）。

图3.2由TPS3707-33芯片组成的自动复位电路

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3.4 时钟电路设计

时钟电路用来为’C54X芯片提供时钟信号，由一个内部振荡器和一个锁相环PLL 组成，可通过芯片内部的晶体振荡器或外部的时钟电路驱动。利用DSP芯片内部提供的晶振电路，在DSP芯片的X1、X2之间连接晶体振荡器。使用芯片内部的振荡器在芯片的X1和X2/CLKIN引脚之间接入一个晶体,用于启动内部振荡器。时钟电路图如图3.3。

C1=C2=20pF

图3.3时钟电路

3.5 程序存储器扩展设计

FLASH存储器用以扩展程序存储器AT29LV1024是1M位的FLASH存储器FLASH存储器与EPROM相比，具有更高的性能价格比，而且体积小、功耗低、可电擦写、使用方便，并且3.3V的FLASH可以直接与DSP芯片连接。地址线：A0~A15；数据线：I/O0~I/O15；控制线：CE—片选信号；WE—编程写信号；OE—输出使能信号。扩展连接图如图3.4。

图3.4程序存储器扩展电路

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