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基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计方案介绍

2018年02月09日 09:58 次阅读

数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛DSP技术图解的应用。数字信号处理是利用计算机或专用处理设备,以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理,以得到符合人们需要的信号形式。

本文为大家带来基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计方案分享。

硬件设计方案

本系统采用DSP芯片TMS320C5416和TLV320AIC23音频编解码芯片实现系统的软硬件设计,并在此基础上完成语音信号的采集、播放、存储、分析功能。文中包括3部分:音频信号采集、DSP芯片处理信号、Flash存储器。系统总体设计结构如图1所示。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

TMS320C5416是文中采用的主芯片,是一款低功耗、高性能的DSP芯片,主要功能包括采集语音信号、存储以及控制模块间通信等,将音频信号经过采集和压缩后存放到Flash存储器中。AIC23的高性能立体声信号的输入支持MIC和LINE?IN两种方式,可配置寄存器选择,并且具有可编程增益调节。其内部集成模数和数模转换部件,采用先进的采样技术,采样范围在8K~96K之间。

本设计的从芯片TLV320AIC23音频编解码芯片,是立体声音频Codec芯片,主要负责对语音信号的A/D转换,采样编码及滤波,该芯片是理想的音频模拟器件,应用广泛;DSP芯片三个中有两个缓冲串口MCBSP0和MCBSP1负责控制音频芯片AIC23,其中MCBSP0串口是SPI接口,实现语音数据的发送和接收,MCBSP1串口是I2S接口,任务是写控制字;Flash存储模块可快速访问可电擦写,即使停电信息也不会丢失数据的存储器,而且成本很低,可靠性高、稳定性强,容量大有几GB,外形小巧等特性,进行读取和存储操作为载体。

 系统硬件电路设计

本系统采用的DSP芯片TMS320C5416,最高频率可达160MIPS,系统实时性良好;音频编解码芯片TLV320AIC23采样精度在16~32位。上述两种芯片的结合是解决移动音频录放系统、现场采集语音的理想设计。TMS320C5416的3个MCBSP可以方便地实现 AIC23之间的控制和通信。AIC23是可编程芯片,其内部含有11个16位寄存器,由MODE引脚选择控制接口采用SPI或者I2C哪种工作方式,MODE=0采用I2C模式;MODE=1表示采用SPI模式。

AIC23独立的控制口接收控制器的命令字,而独立的数据接口交换DSP语音数据。为DSP提供工作时钟的是12M外部晶振。本系统C5416DSP的MCBSP0连接AIC23的控制接口,MCBS P1连接AIC23的数据接口。TMS320C5416DSP连接TLV320AIC23的接口框图如图2。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

TMS320C5416DSP模块设计

本次设计采用TMS320C5416芯片,其内部128K*16的RAM,能有效提高系统的集成度和总体性能。另外它还有3个多通道缓冲串口,提供128个通道。C5416芯片的特点有:工作频率可达160 MIPS;可以访问的数据存储空间64K、I/O空间64K。

TMS320C5416和TLV320AIC23连接的引脚如下:BCLKX0/1:传输时钟信号,是多通道缓冲串行接口发送器的串行移位时钟信号,复位时,默认为输入。当OFF为低电平,BCLKX进入高组态;TMS320C5416连接FLASH器件时,DSP芯片每次采集32位的语音数据,依次从左声道开始往右声道写入Flash器件进行存储。

TLV320AIC23语音采集及回放接口电路模块

AIC23芯片内部集成了ADC和DAC,兼容C5416的输入/输出电压,它的数字接口和DSP的MCBSP端口无缝连接。AIC23采用先进的Sigma—delta过采样技术,将大部分的噪声转移到阻态,采样频率范围8K~96K提供4种16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采样数据,ADC和DAC的输出信噪比分别达到90 dB和100 dB。

TLV320AIC23与TMS320C5416连接的引脚图如下。BCLK:I2S数字音频接口时钟信号,串行数据传输时钟,当主模式是AIC23时,由AIC23产生BCLK且由它传输给DSP,此时的频率仅为主时钟的1/4,当从模式时,DSP产生BCLK;DIN:I2S格式输入给D/A转换器;DOUT,立体声ADC产生,I2S格式A/D转换器串行数据输出:LRCIN/LRCOUT:I2SD/A和A/D转换器字时钟信号,主机模式下,AIC23产生该信号发送给DSP,从机模式下,由DSP产生;SCLK:控制端口串行时钟输入;SDIN:控制端口串行数据输入,控制协议,传输配置数据;/CS:在SPI模式下,是数据锁存控制端,在I2C模式下,作为外设7位地址的末位;XTI/MCLK:外部时钟输入。本文中AIC23由外接的晶振提供工作时钟,TLV320AIC23从电路模块电路如图3。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

语音数据存储接口电路模块

本文的语音数据存储模块采用32M*8位的Flash存储空间,能够满足文中对存储器芯片的容量以及读取语音信号速度。Flash存储器内存放录音和放音系统数据。Flash的构成是由一组可独立擦除的1KB区块,擦除一个区块将使该区块全部复位为1。Flash存储器每个区块的基地址都固定不变。 Flash存储器在存储器中处于起始位置,一般从0开始。下图4为Flash存储模块电路图。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

Flash存储器是一种不挥发性内存,存储特性相当于硬盘,因此成为便携式数字设备的存储介质,同时Flash存储器采用串行结构,读写单元以页和块为单位,容量可以很大,成本低廉,而且又能确保数据读写的正确性。闪存的I/O端口有8位,数据传送的方式是轮流传送命令字。DSP采集到的32位语音数据,通过外部总线分4次,从左往右声道写入闪存中。

电源接口模块

TMS320C5416DSP的供电结构采用双电源器件芯片,内核电源CVDD和I/O电源DVDD,需要考虑相对电压和上电次序。两种供电控制策略不同:DVDD是3.3 V单电源上电,而CVDD只加载1.6 V,降低供电是想要降低芯片的功耗。双供电模式可以消除电源间的延时。在理想状态下,I/O电源和内核电源应该同时加电,但实际情况下想要做到并不容易。如果不能同时加电,需要根据引脚电平对工作模式进行配置,内核要优先于I/O供电,要求一种电压要低于操作电压,另一个电压供电时间不能超出要求。上电过程中,要保证I/O缓冲接收到正确的内核输出,并防止系统的总线冲突。加电次序主要取决于内部静电保护电路如图5所示。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

图中可见,需要DVDD不超出CVDD 2 V,于是采用4个二极管降压,而内核电源不能超过I/O电源电压0.5 V,因此只用一个二极管,否则容易损坏芯片。

系统软件设计模块

本语音录放系统的软件环境是DSP集成开发环境IDE提供成熟的核心功能和便捷的图形可视化工具,使得设计更快。CCS2.0提采用图形接口界面,有编辑工具和工程管理工具,提供软件开发、程序调试和仿真环境,集成了汇编器、编译器、建库工具等。CCS集成的代码调试工具具备各种调试功能,同时支持汇编和C/C++语言,本系统的程序软件均采用C语言混合编写。既容易调试,又能提高软件的执行效率,能对DSP进行指令级仿真和实时数据分析。同时它还具有丰富的库函数。

本系统的软件部分主要是从现场线路输入和麦克语音所采集到的信号,收集并存储到Flash存储器中,由滤波后播出信号,并将信号变换到频域,即FFT离散傅立叶快速变换。

语音分析子模块

现场输入的语音信号,送入立体声音频编解码器AIC23中,AIC23控制芯片内寄存器,将信号A/D转换,用数字计算机处理数字信号,然后由数字滤波器滤波,再送到Flash存储器暂存。数字滤波器是一个离散时间系统。程序语音模块处理过程:首先初始化系统,包括设置时钟发生器、AIC23的初始化、多通道缓冲、工作变量的初始等。

语音分析程序模块处理过程:TLN320AIC23初始化,语音录音数据读取后存入数据缓冲区,调用FIR数字滤波器滤波,效果突出,然后将数字语音信号暂存在闪存内,最后由耳机发出,同时进行FFT离散快速变换算法。语音数据输出到MCBSP。语音分析子程序模块流程图如图6所示。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

数字滤波器设计

使用窗函数的有限长,实现加窗线性相位FIR数字滤波器,能够满足转移序列或脉冲响应的常见问题。

b=fir1(n,Wn,‘ftype’);

b=fr1(n,Wn,‘ftype’,‘window’);

n为滤波器的阶数,Wn为截止频率,ftype决定滤波器类型,high时为高通滤波器,stop时为带阻滤波器。window采用窗函数类型,是一种通过截短和计权的方法使无限长非因果序列成为有限长脉冲应响应序列的设计方法,其默认值为汉明窗,w=hamming(n),产生一个n点的汉明窗函数。编写matlab程序,生成FIR系数存放在FH[n]中,程序运行后在显示区显示结果。

FFT是快速计算DFT的高效方法,能够显著降低运算量,大大提高DFT运算速度。大部分DSP芯片能在单指令周期内完成乘法累加运算。FFT算法是利用DFT系数的特性,合并运算,将长序列转换为短序列DFT,以减少运算量。FFT算法的实现过程:

1)把N点的时域信号分解成N个时域信号,单点组成信号,并计算出频谱。

2)输入数据的比特反转,即将输入序列整理成位序颠倒的次序。位码倒置可以提高程序执行速度和存储效率。

3)实现N点复数FFT,执行3个循环套计算FFT变换,最内层都进行蝶形运算,第一级、第二级、第三级至第log2N级都是蝶形运算。序列点数N=2m,N为2的整数幂的FFT算法。

4)估计功率普

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

X(k)一般分成虚部和实部,计算时将FFT算法变换好的数据求平方和。

控制寄存器程序设计

本文的TLV320AIC23利用串行传输数据。前半部分数据控制所需存放寄存器地址,后半部分将所要写入的值保存在寄存器中。采用两个8 bit处理串行传输的控制数据。结合实际本文对于I2C写入模块采用汇编语言。

DSP通过I2C总线将配置命令发送到AIC23,完成初始化配置,然后AIC23开始工作。AIC23的初始化记录在一个数组中,利用串口发送命令,采用循环方式发送。AIC23数据写入时序图如图7。

基于DSP芯片的音频信号滤波系统设计

如图中所示B[15~9]是记录控制寄存器的地址,B[8~0]是要写入的值被保存在寄存器中。

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本文开始对数字信号处理和数字信号处理的选型进行了介绍,其次介绍了数字信号处理芯片的选型参数,最后介绍...

发表于 2018-02-05 14:02 620次阅读
数字信号处理选型和介绍

基于KeyStone器件特性的鲁棒性系统设计及例...

对于复杂的系统,鲁棒性是非常重要的。为了协助客户建立鲁棒性系统,KeyStone器件提供了多种硬件保...

发表于 2018-02-04 22:24 83次阅读
基于KeyStone器件特性的鲁棒性系统设计及例...

基于实时DSP系统的烧写及程序自动加载方案设计及...

TMS320C6701(以下简称C6701)是一款浮点运算DSP,适用于需要大量运算且实时性要求高的...

发表于 2018-02-04 20:59 124次阅读
基于实时DSP系统的烧写及程序自动加载方案设计及...

世强与进芯电子达成代理协议 进一步扩充产品线

世强作为中国本土最知名的元件分销商,进芯电子专注数字信号处理芯片研发。据报道,世强宣布与进芯电子达成...

发表于 2018-02-03 10:57 196次阅读
世强与进芯电子达成代理协议 进一步扩充产品线

基于DSP的数字示波器GUI开发与软件设计流程

RIGOL DS1000系列数字示波器采用的是320×234分辨率的TFT液晶显示器,通过液晶的驱动...

发表于 2018-02-02 15:07 885次阅读
基于DSP的数字示波器GUI开发与软件设计流程

剖析DSP编程优化的7个方法

方法一 把浮点运算改成定点运算 因为C6x DSP板并不支持浮点运算,但我们的原始程序代码是浮...

发表于 2018-02-02 14:56 685次阅读
剖析DSP编程优化的7个方法

电量测量装置的高精度校验实现方案

本文叙述在进行电量测量装置的高精度校验中,采用数字信号处理器TMS320F206及其与工业控制PC机...

发表于 2018-02-02 05:56 109次阅读
电量测量装置的高精度校验实现方案

利用DSP芯片设计PWM开关电源的原理及完整解决...

目前,开关电源以具有小型、轻量和高效的特点而被广泛应用于以电子计算机为主异的各种终端设备和通信设备中...

发表于 2018-01-26 12:07 358次阅读
利用DSP芯片设计PWM开关电源的原理及完整解决...

DSP与ARM存储器架构和指令集有哪些差异

DSP为提高数字计算效率,牺牲了存储器管理的方便性,对多任务的支持要差的多,所以DSP不适合于作多任...

发表于 2018-01-25 09:02 1635次阅读
DSP与ARM存储器架构和指令集有哪些差异

基于DSP和CMOS图像传感器的实时图像采集系统...

随着技术与工艺的发展,CMOS图像传感器不仅在噪声上得到了有效改善,而且分辨率也得到了明显提高。CM...

发表于 2018-01-23 16:12 158次阅读
基于DSP和CMOS图像传感器的实时图像采集系统...

CEVA推出ClearVox专为CEVA-Tea...

CEVA,智能和互联设备的信号处理IP授权许可厂商(纳斯达克股票交易所代码:CEVA) 推出Clea...

发表于 2018-01-23 07:42 161次阅读
CEVA推出ClearVox专为CEVA-Tea...

Achronix宣布为其eFPGA IP解决方案...

Achronix 今日宣布为其eFPGA IP解决方案推出Speedcore custom bloc...

发表于 2018-01-22 16:42 167次阅读
Achronix宣布为其eFPGA IP解决方案...

选择一个好的DSP,可以让广告投放将可以事半功倍

广告技术作为数字化营销的重要内容之一,受到越来越多的关注。随着广告主越来越理性,市场逐步规范,DSP...

发表于 2018-01-21 11:08 1364次阅读
选择一个好的DSP,可以让广告投放将可以事半功倍

六个术语(DAC、ADC、DSP、codec、运...

自vivo在vivo X1引入独立DAC之后,Hi-Fi手机开始崛起,之后连续几款vivo手机都用上...

发表于 2018-01-19 09:27 877次阅读
六个术语(DAC、ADC、DSP、codec、运...

基于MSO的混合信号系统测试与调试[图]

嵌入式系统中,MCU和DSP的应用非常普遍,模拟信号和各种数字信号同时存在。传统上,工程师分别使用示...

发表于 2018-01-18 09:39 228次阅读
基于MSO的混合信号系统测试与调试[图]

基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统设计

基于DSP处理器TMS320F2812与SD卡的接口,设计了一种便携式的生理信号数据采集系统,用于大...

发表于 2018-01-18 09:31 199次阅读
基于DSP和SD卡的生理信号数据采集系统设计

基于DSP的人体皮肤测量仪设计与实现方案[图]

皮肤是人体最重要的器官之一。它有许多功能,首先,皮肤把外界和内部器官分离开,起着人体第一道屏障的作用...

发表于 2018-01-18 07:25 262次阅读
基于DSP的人体皮肤测量仪设计与实现方案[图]

网络上对芯片解密的定义,解密方法与原理解析!

其实了解芯片解密方法之前先要知道什么是芯片解密,网络上对芯片解密的定义很多,其实芯片解密就是通过半导...

发表于 2018-01-17 07:06 1418次阅读
网络上对芯片解密的定义,解密方法与原理解析!

对于FPGA/DSP概念与特点的分享和总结

DSP就是一个指令比较独特的处理器。它虽然是通用处理器,但是实际上不怎么“通用”。技术很牛的人可以用...

发表于 2018-01-16 10:43 653次阅读
对于FPGA/DSP概念与特点的分享和总结

LCD电路及高速ADC+FPGA+ DSP的设计...

随着人们生活水平的提高,公路上的私家车辆也增多了,但随之带来的问题就是交通事故发生率居高不下,严重危...

发表于 2018-01-12 16:28 399次阅读
LCD电路及高速ADC+FPGA+ DSP的设计...

伺服驱动器的七个故障原因分析与处理方法

伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器,其作用类似于变频器作用于普通交流马达,属于伺服系统的一部分...

发表于 2018-01-12 15:32 2127次阅读
伺服驱动器的七个故障原因分析与处理方法

Synaptics AudioSmart远场语音...

Synaptics AudioSmart远场语音技术将带来性能无与伦比的两麦克风和四麦克风支持亚马逊...

发表于 2018-01-10 14:47 1349次阅读
Synaptics AudioSmart远场语音...

Synaptics拓展语音生态系统,支持微软Co...

Synaptics计划拓展语音生态系统,并且支持微软Cortana集成。成熟的AudioSmart硬...

发表于 2018-01-10 14:27 1442次阅读
Synaptics拓展语音生态系统,支持微软Co...

基于FPGA+DSP的视频控制的智能交通灯设计

本文主要介绍了一种基于FPGA+DSP的视频控制的智能交通灯设计。该交通灯由视频采集、图像处理和控制...

发表于 2018-01-09 14:15 308次阅读
基于FPGA+DSP的视频控制的智能交通灯设计

对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

ARM处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn...

发表于 2018-01-05 11:36 1097次阅读
对于ARM、MCU、DSP、FPGA、SOC的介...

数字信号处理器DSP与EDA的区别

目前DSP和EDA两者都应用广泛,二者之间有什么不同呢?本文带来数字信号处理器DSP与EDA的区别介...

发表于 2018-01-03 10:33 304次阅读
数字信号处理器DSP与EDA的区别

dsp技术在手机方面的应用_vivo X9s P...

vivo在之前的MWC 2017上海站的时候发布了全新DSP芯片影像优化拍照技术,这也是vivo首次...

发表于 2018-01-03 10:02 341次阅读
dsp技术在手机方面的应用_vivo X9s P...

dsp处理器一般哪里用_dsp处理器应用领域分析

dsp数字信号处理器能实时快速地实现各种数字信号处理算法,它活跃于各种领域之中。

发表于 2018-01-03 09:26 887次阅读
dsp处理器一般哪里用_dsp处理器应用领域分析

DSP技术怎么样_DSP技术的应用领域及优势

本文介绍了dsp技术在通信领域、仪器仪表领域、汽车电子系统领域等多个领域的应用,并分析了dsp技术的...

发表于 2018-01-03 09:03 431次阅读
DSP技术怎么样_DSP技术的应用领域及优势

基于ARM与DSP的主从式双CPU嵌入式四轴运动...

运动控制系统已被广泛应用于工业控制领域。近年来,工业控制对运动控制系统的要求越来越高。传统的基于PC...

发表于 2018-01-01 08:27 2197次阅读
基于ARM与DSP的主从式双CPU嵌入式四轴运动...

一款实用的嵌入式CPLD的伺服控制卡设计方案

随着先进制造技术的迅速发展,对运动控制的精度要求也越来越高,而运动伺服控制系统的性能很大程度上取决于...

发表于 2017-12-30 07:33 2584次阅读
一款实用的嵌入式CPLD的伺服控制卡设计方案

dsp芯片可分为哪几个存储区

DSP即数字信号处理技术,DSP芯片即指能够实现数字信号处理技术的芯片。DSP芯片的内部采用程序和数...

发表于 2017-12-27 11:01 221次阅读
dsp芯片可分为哪几个存储区

一种基于DSP+FPGA视频图像采集处理系统的设...

本文主要介绍了一种基于DSP+FPGA视频图像采集处理系统的设计与实现,DSP-BF561作为主处理...

发表于 2017-12-25 10:39 580次阅读
一种基于DSP+FPGA视频图像采集处理系统的设...

基于DSP+FPGA的实时图像去雾增强系统设计

本文主要介绍了一种基于DSP+FPGA的实时图像去雾增强系统设计,FPGA通常作为一种调度使用,图像...

发表于 2017-12-25 10:24 402次阅读
基于DSP+FPGA的实时图像去雾增强系统设计

基于STM32的实收实发超声波检测系统研究

本文主要是对基于STM32的实收实发超声波检测系统研究与实现,系统由信号调理;数据采样分析;PWM发...

发表于 2017-12-23 15:05 347次阅读
基于STM32的实收实发超声波检测系统研究

直流电机的IR2110驱动控制设计及DSP实现

本文介绍了直流电机的IR2110驱动控制设计及DSP实现,采用功率MOSFET芯片IRF530作为开...

发表于 2017-12-21 13:49 857次阅读
直流电机的IR2110驱动控制设计及DSP实现

DSP技术实现便携式电能质量分析设计方案

随着国家工业规模的扩大和科学技术的发展,电网负荷结构发生了很大的变化,一方面, 非线性 、冲击性和不...

发表于 2017-12-19 09:06 1790次阅读
DSP技术实现便携式电能质量分析设计方案

基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设...

本文介绍的无线环境监测系统的控制采用TMS320LF2407实现。TMS320LF2407内部资源丰...

发表于 2017-12-15 15:55 385次阅读
基于DSP和nRF24L01的无线环境监测系统设...

一种DSP和nRF24L01的无线环境监测系统的...

本文基于DSP和nRF24L01设计了一种无线环境监测系统。分模块的介绍了检测系统的设计以及系统的软...

发表于 2017-12-15 14:53 211次阅读
一种DSP和nRF24L01的无线环境监测系统的...