摘 要： 介紹一種高保真的音頻信號處理系統(tǒng)，給出了前端音頻信號調(diào)理電路設(shè)計，實現(xiàn)了DSP芯片TMS320VC5410與語音轉(zhuǎn)換芯片TLC320AD50C的硬件接口設(shè)計，并通過FIR算法實現(xiàn)了對音頻信號的處理。測試結(jié)果表明，此音頻處理系統(tǒng)達到預(yù)期要求。
關(guān)鍵詞： DSP；AD50；音頻信號處理；放大器；FIR算法
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傳統(tǒng)的音頻產(chǎn)品及音頻處理大都使用模擬設(shè)備，體積大、精度低、容易受環(huán)境影響，而且易受元件老化的影響。使用數(shù)字音頻處理器，則使設(shè)備體積大大縮小，精度得到提高，而且數(shù)字設(shè)備受環(huán)境影響較小，減輕了受元件老化的影響。音頻信號處理是利用算法對采集的音頻信號進行變換處理實現(xiàn)的。隨著科學(xué)技術(shù)的進步及各種新型數(shù)字音源的相繼出現(xiàn)，如數(shù)字廣播、數(shù)字電視、網(wǎng)際多媒體廣播、移動通信等，對數(shù)字音頻處理系統(tǒng)應(yīng)用的需求日益增加。IT領(lǐng)域的科技成果越來越普遍地應(yīng)用于視、音頻領(lǐng)域并大大地推動了視、音頻科技的進步，其中 DSP在音頻領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用就是一個很好的例子。本文著重設(shè)計了DSP與AD50的硬件接口、音頻信號處理的FIR算法實現(xiàn)以及AD50前端的信號調(diào)理電路設(shè)計。這種設(shè)計方法可在IP電話和多媒體通信中廣泛應(yīng)用。
1 系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理
在本次設(shè)計中，數(shù)字信號處理器TMS320VC5410(以下簡稱DSP)是主要核心部分，它在控制TLC320AD50(以下簡稱AD50)的同時還進行數(shù)字信號處理。AD50主要進行A/D和D/A轉(zhuǎn)換。其基本構(gòu)成如圖1所示。
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對于音頻輸入而言，可以通過MP3播放器將音頻信號輸入到放大器；也可以通過PC機的音頻線將音頻信號輸入到放大器，本設(shè)計采用后者。
系統(tǒng)基本工作原理：通過PC機輸出音頻信號，由于此音頻信號很微弱，所以需要放大，這樣可以提高采樣精度。由于AD50采用的是差分輸入，可以提高共模抑制比，大大減少了共模信號，得到了較高信噪比的音頻信號，為后面的采樣提供了失真度很小的音頻信號。AD50把得到的數(shù)字信號通過DSP的多通道緩沖接口(MCBSP)傳給DSP進行處理。DSP經(jīng)過處理后再把音頻信號輸入到AD50，然后通過AD50輸出，這樣就可以把音頻信號無失真地還原出來，實現(xiàn)了音頻信號的處理。本設(shè)計主要實現(xiàn)以下功能：
(1)對原始的音頻信號放大，把放大的音頻信號轉(zhuǎn)化為差分信號。
(2)DSP通過MCBSP控制AD50采樣和接收音頻數(shù)據(jù)。
(3)DSP通過軟件處理使原始音頻信號還原出來(數(shù)字信號)，然后通過MCBSP發(fā)給AD50轉(zhuǎn)換成模擬信號。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本設(shè)計的音頻處理系統(tǒng)主要分為音頻信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集與處理模塊。
2.1 音頻信號調(diào)理模塊
音頻信號調(diào)理模塊分為放大電路和差分電路兩部分。
在放大電路中，放大器采用美國德州儀器公司的TLC2272，是單芯雙運放放大器，具有相當(dāng)好的AC性能，有更好的輸入失調(diào)電壓、噪聲和功耗性能，增益帶寬為2 MHz，轉(zhuǎn)換速率為3 V/μs。
??? 在放大電路中(圖2)，電源采用雙電源±5 V供電，輸入信號采用反向輸入，即輸入電壓與輸出電壓的相位相差180°。C1和R1組成反饋回路，C4、C5起隔直通交和耦合作用(可以通過JP1短接)，R4和R2并聯(lián)組成可調(diào)的電阻R，由放大電路的原理可知：放大倍數(shù)A=R1/R，所以本次設(shè)計的放大器的增益是可調(diào)的。電容C2、C3起耦合作用。
在圖3所示的差分電路中也采用TLC2272，作用是把輸入信號轉(zhuǎn)化成差分信號。由放大器的原理可知， 3個反向輸入放大器的放大倍數(shù)都為1(因為反饋回路的電阻與輸入回路的電阻之比是1：1)。由圖可知，Input端口的信號與in_m的信號同相，而與in_p信號反相，這兩個信號分別接入到AD50的INP和INM引腳，這樣就得到差分信號，提高了共模抑制比，大大減少了共模信號，得到了高信噪比的音頻信號。C3和C8作為前后級放大器的耦合電路。
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2.2 數(shù)據(jù)采集與處理模塊
數(shù)據(jù)采集與處理模塊由DSP和AD50組成，AD50集成了16位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達22 Kbit/s，它具有7個控制寄存器，AD50的采樣頻率由控制寄存器4設(shè)定。當(dāng)選擇PLL模式時(D7=0)，采樣頻率為：
AD50內(nèi)部在ADC轉(zhuǎn)換后有抽樣濾波器，DAC轉(zhuǎn)換前直插濾波器，AD50與DSP 的通信數(shù)據(jù)格式采用16位的二進制。AD50的16位的傳輸時序圖如圖4，F(xiàn)S為幀同步信號。
DSP提供了3個多通道緩沖串行口(MCBSP)，為模數(shù)接口的設(shè)計提供了極大的便利。MCBSP提供了全雙工的傳輸機制，數(shù)據(jù)長度可以為8、12、16、20、24、32位。數(shù)據(jù)經(jīng)MCBSP的DR和DX引腳傳輸，控制信號由CLKR、CLKX、FSR、FSX 4個引腳決定(圖5)。本設(shè)計中，AD50的時鐘由DSP提供，AD50工作在從模式。DSP和AD50的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)共用一個時鐘，避免了時序沖突，提高了可靠性。
3 算法設(shè)計
通過設(shè)計一個FIR低通濾波器對輸入的音頻信號進行濾波處理來說明對音頻信號的處理實現(xiàn)過程，由此可以推廣到其他的處理方法。
FIR濾波器的差分方程為：
式(3)中：x(n)是輸入序列；y(n)是輸出序列；ai是濾波器的系數(shù)；N是濾波器的階數(shù)，其橫向濾波結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。
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取音頻信號的采樣頻率為10 kHz，N=64，利用MATLAB得到低通濾波器，其函數(shù)為：
B=FIR(N，W) (5)
式中：B是濾波器的系數(shù)；N是濾波器的階數(shù)；W是濾波器的截止頻率[2]。
由式(3)可知：不斷地輸入樣本，經(jīng)過延時一個單位，再和濾波器的系數(shù)進行乘法累加運算，最后得到輸出序列y(n)。程序流程圖如圖7所示。
在CCS5000開發(fā)平臺下創(chuàng)建源文件。本軟件采用C語言和匯編語言混合編寫，經(jīng)過編譯、調(diào)試，生成可執(zhí)行文件?鄢.out。最后把*.out文件下載到芯片運行，部分源代碼如下：
STL? A，*FIR_DATA_P+%；更新數(shù)據(jù)
NOP??? ；
MVMD?? FIR_DATA_P，f32_p
RPTZ A?? ，#63
MAC*FIR_DATA_P+0%，*FIR_COFF_P+0%，A；濾波
NOP
NOP
STH A，*(_ sample)
4 實驗結(jié)果
在CCS5000開發(fā)平臺下，為了便于分析，采用探針，把帶紋波的方波信號作為信號輸入，經(jīng)過CCS仿真后輸入信號與輸出信號的時域和頻域的對比結(jié)果如圖8所示。
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從以上處理的效果來看，方波信號由基波信號和高次諧波組成，由于采用了低通濾波器處理，高頻信號（疊加在方波信號上面的紋波）得到有效抑制，低頻信號得到保留(音頻信號的帶寬主要在低頻)，最后輸出比較平滑的信號（主要是基波信號），由此證明了系統(tǒng)的低通性能，驗證了此音頻處理系統(tǒng)的正確性。讀者只要在這個硬件平臺上改變算法就可以得到不同的音頻效果。
實驗結(jié)果表明，由于在音頻信號采集前端增加了放大電路和差分電路，提高了共模抑制比，大大減少了共模信號，得到了高信噪比的音頻信號，而在DSP內(nèi)部又采用了FIR濾波算法，因此設(shè)計的高保真音頻信號處理系統(tǒng)完全實現(xiàn)了音頻信號的實時處理。該音頻信號處理系統(tǒng)可以在IP電話和多媒體通信中得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻
[1] 丁玉美，高西全.數(shù)字信號處理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001.
[2] 李夕紅，祝忠明.基于DSP5402的音頻處理與實現(xiàn)[J].電聲技術(shù)，2006(12).
[3] 祝忠明.DSP實驗應(yīng)用指導(dǎo)[Z].成都：成都理工大學(xué)信息工程學(xué)院，2002.
[4] TMS320VC54xDSP Applications Guide.Texas Instrument.1999.
[5] TLC2272 datasheet.Texas Instrument，2000.
[6] TLCAD50C datasheet.Texas Instrument，1999.