基于DSP的廣播級(jí)數(shù)字音頻延時(shí)器
關(guān)鍵詞：音頻數(shù)字信號(hào)處理 主從式系統(tǒng) 延時(shí)器
音頻延時(shí)器可用于廣播電臺(tái)直播節(jié)目。它將音頻信號(hào)延時(shí)一段時(shí)間后播出,以避免主持人的口誤或聽眾熱線中聽眾的一些不健康言論通過廣播媒體傳播,從而實(shí)現(xiàn)直播節(jié)目的安全播出。作為廣播級(jí)設(shè)備,音頻延時(shí)器對(duì)動(dòng)態(tài)范圍、失真、信噪比和頻率響應(yīng)等性能指標(biāo)要求很高,因此一般采用數(shù)字技術(shù)。采用計(jì)算機(jī)內(nèi)置全雙工聲卡硬盤,可以以軟件方式實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)眨時(shí),但使用操作不方便,可靠性較差,性能價(jià)格比較低。本文提出的基于高精度∑-ΔADC和DSP芯片的廣播級(jí)數(shù)字音頻延時(shí)器,具有性能指標(biāo)高、操作簡(jiǎn)便、功能齊全等特點(diǎn),該設(shè)計(jì)方案已產(chǎn)品化。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
延時(shí)器硬件為主從式結(jié)構(gòu),如圖1所示,主要由單睡機(jī)M發(fā)8HC05C8、DSP芯片MTS320C32和音頻編解碼器CS4224等組成。M68HC05C8作為整個(gè)系統(tǒng)的主機(jī),完成系統(tǒng)的控制功能。TMS320C32作為系統(tǒng)的核心,完成音頻信號(hào)的延時(shí)功能。CS4224及音頻輸入輸出調(diào)理電路共同完成音頻信號(hào)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換。
CS4224是高性能的24位音頻編碼解碼器,使用∑-Δ技術(shù)提供全雙工立體聲數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換,動(dòng)態(tài)范圍達(dá)105dB,諧波失真和操聲為-97dB,采樣頻率為32kHz、44.1kHz和48kHz可選。芯片采用差動(dòng)輸入和輸出,片上自帶抗混疊濾波器和輸出平滑濾波器以及數(shù)字去加重濾波電路,具有模擬音量控制,支持主或從工作方式。
TMS320C32為低成本、高性能的浮點(diǎn)DSP芯片,非常適合語音數(shù)字信號(hào)處理。它支持24位地址總線和32位數(shù)據(jù)總線,可以尋址延時(shí)器所需的大容量存儲(chǔ)器。它還具有串行接口,便于和串行音頻數(shù)據(jù)輸入輸出的CS4224接口。
M68HC05C8實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口,管理鍵盤顯示和延時(shí)器遙控接口,并控制CS4224和TMS320C32的運(yùn)行。
1.2 存儲(chǔ)器接口
TMS320C32具有增強(qiáng)型的外部存儲(chǔ)器接口,程序存儲(chǔ)器的寬度可以是16位和32位,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以是8/16/32位三種寬度。TMS320C32采用兩組選通信號(hào)STRB1和STRB0,其尋址范圍不同。每組選通信號(hào)由四個(gè)引腳組成,作為片選和額外的地址線,引腳的特性由每組選通信號(hào)對(duì)應(yīng)的總線控制寄存器確定。通過設(shè)置總線控制寄存器的某些域,可以指定數(shù)據(jù)類型和外部存儲(chǔ)器寬度。
延時(shí)采用了兩組不同寬度的存儲(chǔ)器。SRAM存儲(chǔ)音頻數(shù)據(jù),設(shè)置存儲(chǔ)器寬度為32位,數(shù)據(jù)類型為32位。由于音頻編解碼器CS4224為24位,因此實(shí)際使用24位,由三片8位SRAM構(gòu)成,分別用STRB0_B0～2片選。FLASH芯片28F512存儲(chǔ)用戶音頻信號(hào)處理程序,存儲(chǔ)器寬度為8位,用ATRB1_B0片選。
存儲(chǔ)器接口主要考慮存儲(chǔ)器速度,以確定需要插入幾個(gè)等待狀態(tài)。由于TMS320C32時(shí)鐘頻率為40MHz,而FLASH存儲(chǔ)器的存取速度為150ns,SRAM的存取速度為70ns,因此必須插入等待狀態(tài)。TMS320C32具有內(nèi)部可編程的軟件等待狀態(tài)發(fā)生器,通過STRBx控制寄存器的SWW域選擇等待狀態(tài)發(fā)生器的工作模式,并在WTCNT域?qū)懭胄枰却臋C(jī)器周期數(shù)。由于程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分別采用STRB1和STRB0選通,因此可以根據(jù)各自的存取速度分別設(shè)置所需的機(jī)器周期數(shù)。
TMS320C32具有程序引導(dǎo)功能。硬件復(fù)位時(shí)令MCBL/MP引腳為高電平,則工作于微計(jì)算機(jī)模式,執(zhí)行片內(nèi)的引導(dǎo)程序,將FLASH存儲(chǔ)器中的用戶程序裝入內(nèi)部高速RAM中運(yùn)行?？梢酝ㄟ^引腳的INT0～3確定引導(dǎo)模式,外部存儲(chǔ)器裝入地址根據(jù)存儲(chǔ)器的連接方式選為Boot3區(qū),不采用握手信號(hào)。FLASH存儲(chǔ)器的前端為程序頭,包括引導(dǎo)時(shí)TMS320C32必需的信息,如外部存儲(chǔ)器寬度、引導(dǎo)結(jié)束后總線控制寄存器內(nèi)容、各數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度、目標(biāo)存儲(chǔ)器寬度和數(shù)據(jù)類型等。
1.3 音頻數(shù)據(jù)接口
CS4224和TMS320C32采用串行方式連接。CS4224的串行數(shù)據(jù)線SDIN和SDOUT分別與TMS320C32的串口數(shù)據(jù)線DR和DX直接相連,數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘SCLK與數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)鐘CLKX和CLKR相連,左右聲道時(shí)鐘LRCK經(jīng)二倍頻后作為收發(fā)幀同步時(shí)鐘FSX和FSR。工作時(shí)序見圖2。
TMS320C23串口可以工作于可變或固定數(shù)據(jù)速率方式,進(jìn)行連續(xù)或猝發(fā)傳輸。延時(shí)器選用可變數(shù)據(jù)速率方式和猝發(fā)傳輸,并工作于最高幀速率,即前面一幀和后面一幀之間沒有停頓。
1.4 控制接口
可以通過兩種接口方式控制CS4224：SPI和I2C,通過引腳SPI/I2C進(jìn)行選擇。延時(shí)器采用SPI模式控制CS4224的工作方式。CS、CDIN和CCLK分別為片選、數(shù)據(jù)線和位時(shí)鐘,由M68HC05C8的內(nèi)置SPI接口控制。給定CS4224控制寄存器地址,單片機(jī)可以讀寫控制寄存器的內(nèi)容。M68HC05C8通過端口PC6復(fù)位CS4224。
TMS320C32芯片本身提供的I/O線只有XF0和XF1,利用這兩根線分別作發(fā)送數(shù)據(jù)經(jīng)和接收數(shù)據(jù)線,構(gòu)成一個(gè)異步串行口,通過軟件模塊與M68HC05C8進(jìn)行雙機(jī)通信,由單片機(jī)控制TMS320C32的運(yùn)行。同時(shí),單片機(jī)通過端口PC0～5控制TMS320C32的復(fù)位端、工作方式選擇端MCBL/MP和引導(dǎo)模式選擇端INT0～3。
2 工作流程
2.1 音頻信號(hào)處理
立體聲音頻信號(hào)首先經(jīng)過輸入調(diào)理電路。輸入調(diào)理電路的主要作用是對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行緩沖和交流耦合,同時(shí)進(jìn)行電平偏移,產(chǎn)生CS4224所需的2.3V供模輸入電壓,并滿足CS4224滿量程輸入電壓有效值為2V的要求。
音頻信號(hào)送入CS4224后,進(jìn)入片內(nèi)一階高通濾波器, 濾除輸入信號(hào)中可能存在的直流偏置。為避免高通濾波器影響頻率響應(yīng),可以通過ADC控制寄存器HPD域禁止該功能。CS4224具有輸入電平監(jiān)測(cè)功能,通過狀態(tài)寄存器LV域指示峰值數(shù)字信號(hào)。A/D轉(zhuǎn)換以后左右聲道數(shù)字信號(hào)由內(nèi)部數(shù)字輸入濾波器濾波后,在數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘SCLK作用下分時(shí)從SDOUT引腳串行送出,左右聲道時(shí)鐘LRCK指示是左聲道還是右聲道信號(hào),并開始一個(gè)新的采樣周期。
從引腳SDIN輸入的數(shù)字音頻信號(hào),經(jīng)內(nèi)部數(shù)字輸出濾波器濾波后,再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換,由片內(nèi)緩沖放大器提供有效值最大為2V的差模輸出電壓。音頻輸出電壓大小通過片內(nèi)衰減器調(diào)節(jié),模擬音量控制范圍113.5dB;并以0.5dB步長(zhǎng)步進(jìn)調(diào)整,由輸出衰減寄存器設(shè)置。音量調(diào)節(jié)過程采用淡入淡出方式,從當(dāng)前音量到新設(shè)置音量以0.5dB的斜率逐漸變化,變化速率通過DAC控制寄存器RMP域可設(shè)置為4、16或32倍采樣周期。如果通過DAC控制寄存器SOFT域禁止淡入淡出,音量變化通常發(fā)生在音量過零點(diǎn),以便減小信號(hào)失真。如果未檢測(cè)到過零點(diǎn),則在512和1024個(gè)采樣周期之間完成音量切換。CS4224同時(shí)具有輸出靜音功能,通過DAC控制寄存器MUT域設(shè)置,靜音的實(shí)現(xiàn)和音量控制一樣,也是以淡出方式進(jìn)行。
輸出調(diào)理電路采用兩個(gè)二階Butterworth濾波器,以便濾波除帶外噪聲。CS4224在采樣頻率附近為片外濾波器進(jìn)行了3dB預(yù)補(bǔ)償,可以在通帶范圍提供平坦的頻率響應(yīng)和線性相應(yīng)。輸出信號(hào)為差動(dòng)平衡信號(hào)。
SDOUT引腳的47kΩ下拉電阻將CS4224設(shè)置為主機(jī)工作方式,LRCK和SCLK作為輸出引腳。主時(shí)鐘從CS4224的XT1引腳輸入,頻率為24.576MHz,經(jīng)內(nèi)部8分頻,得到3.072MHz的串行數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘SCLK,再經(jīng)64分頻,得到48kHz的左右聲道時(shí)鐘LRCK,也是采樣頻率。分頻關(guān)系通過時(shí)鐘輸出寄存器的MCK域來設(shè)置。
CS4224提供四種串行數(shù)據(jù)輸入和輸出格式,可以通過DSP端口模式寄存器的DDI和DDO域設(shè)置。延時(shí)器均采用格式1（FORMAT1）,數(shù)據(jù)為24位左對(duì)齊方式。數(shù)據(jù)輸入和輸出時(shí)序如圖2所示。
2.2 延時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)
M68HC05C8軟件主要由初始化程序和主程序等組成。在初始化程序中,完成CS4224的復(fù)位和初始化、MS320C32復(fù)位和引導(dǎo)。主程序主要是按鍵和顯示處理程序,完成各種按鍵的分析處理、刷新光柱和數(shù)碼管顯示,并將有關(guān)信息送至CS4224和TMS320C32。
首先,M68HC05C8復(fù)位CS4224,通過SPI接口初始化ADC、DAC和DSP端口模式控制寄存器,設(shè)置音頻輸入輸出格式,使音頻輸出靜音。
接著,M68HC05C8通過端口PC0～3,令MCBL/MP引腳為高電平,然后在RESET引腳給出復(fù)位脈沖,MTS320C32進(jìn)入外部存儲(chǔ)器程序引導(dǎo),將FLASH存儲(chǔ)器中的程序裝入內(nèi)部RAM,并從目標(biāo)地址開始執(zhí)行程序。
TMS320C32軟件由主程序、初始化程序和串行中服務(wù)程序等組成。初始化程序首先復(fù)位串口,并設(shè)置端口控制寄存器,令串口的所有引腳工作在串口方式,而非通用I/O口;設(shè)置串行口全局控制寄存器,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)為24位,開放串口中斷,對(duì)串口信號(hào)進(jìn)行極性控制;使用外部時(shí)鐘CLRX/R,并設(shè)置為低電平有效,其余信號(hào)均為高電平有效,以便與CS4224接口線相適應(yīng),然后啟動(dòng)串口工作。
數(shù)據(jù)讀寫操作均在TMS320C32串口接收中斷服務(wù)程序中進(jìn)行。24位音頻輸入數(shù)據(jù)從DR引腳全部左移進(jìn)入接收移位寄存器RSR后,TMS320C32將RSR內(nèi)容寫入DRR接收寄存器,并產(chǎn)生串口接收中斷XINT。在串中接收中斷服務(wù)程序中,將DRR數(shù)據(jù)寫入SRAM,同時(shí)從SRAM中讀入需要輸出的音頻數(shù)據(jù),寫入發(fā)送寄存器DXR,等待下一個(gè)幀同步信號(hào)FSX有效后送入發(fā)送移位寄存器XSR,在移位脈沖CLKX作用下左移,從DX引腳輸出。
延時(shí)器有4種工作模式,即直通狀態(tài)（BYPASS）、緊急狀態(tài)（DUMP）、2秒模式（-2s）和咳嗽模式（COUGH）。直通狀態(tài)下,音頻輸入和輸出端通過繼電器直接連在一起,輸出不再通過延時(shí)器,延時(shí)器關(guān)機(jī)時(shí)也處于直通狀態(tài)。在延時(shí)狀態(tài)下,每按一次2秒模式鍵,刪除最新輸入延時(shí)器的2秒音頻數(shù)據(jù),避免剛讀錯(cuò)的內(nèi)容被播出。按住咳嗽按鈕鍵,刪除按住該鍵時(shí)輸入的音頻數(shù)據(jù),可讓主持人打噴嚏、咳嗽或作短暫停頓而不被發(fā)現(xiàn)。延時(shí)時(shí)間1～10秒可調(diào),可以通過按鍵設(shè)定。按下START鍵進(jìn)入延時(shí)狀態(tài),此時(shí)整個(gè)播出靜音或重放預(yù)先錄入的墊樂,直到正式進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)。按下EXIT鍵可退出延時(shí)狀態(tài)。在延時(shí)狀態(tài)時(shí),如遇到惡意電話等緊急情況,可迅速按動(dòng)DUMP鍵,此時(shí)設(shè)定延時(shí)時(shí)間內(nèi)的全部音頻數(shù)據(jù)被刪除,并切斷正常播出,播出處靜音狀態(tài)。
用戶通過按鍵選擇延時(shí)器的工作模式,M68HC05C8根據(jù)工作模式控制CS4224音頻輸出處于靜音或正常輸出狀態(tài),并在TMS320C32串口中斷服務(wù)程序中改變讀出或?qū)懭胍纛l數(shù)據(jù)的SRAM地址。M68HC05C8根據(jù)延時(shí)時(shí)間和采樣頻率,計(jì)算出音頻數(shù)據(jù)的寫入地址和讀出地址,通過接口線XF0/1進(jìn)行串口通信,將地址傳送給TMS320C32。當(dāng)讀出地址和寫入地址相同時(shí),音頻輸入和輸出沒有延時(shí)。如果將寫入地址減去某一增量后作為讀出地址,則讀出內(nèi)容為一段延時(shí)時(shí)間前的音頻輸入,從而達(dá)到延時(shí)功能。
綜上所述,廣播級(jí)數(shù)字音頻延時(shí)器采用DSP和MCU的主從式結(jié)構(gòu)以及高精度∑-ΔADC芯片,實(shí)現(xiàn)了靈活的工作模式控制,具有較高的音頻性能指標(biāo),可以滿足電臺(tái)直播節(jié)目安全播出的需要。
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