基于TMS320VC5402的音頻信號采集與處理系統(tǒng)

近年來，隨著DSP技術(shù)的普及和低何等、高性能DSP芯片的出現(xiàn)，DSP已越來越多地被廣大的工程師所接受，并越來越廣泛地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，例如：語音處理、圖像處理、模式識別及工業(yè)控制等，并且已日益顯示出其巨大的優(yōu)越性。DSP是利用專門或通用的數(shù)字信號處理芯片，以數(shù)字計算的方法對信號進行處理，具有處理速度快、靈活、精確、抗干擾能力強、體積小及可靠性高等優(yōu)點，滿足了對信號快速、精確、實時處理及控制的要求?；赥MS320C5402芯片，筆者研制了一套音頻信號實時采集與處理系統(tǒng)，并已作為有關(guān)音效器研制的硬件試驗平臺。

1 系統(tǒng)總線方案

系統(tǒng)總線方案框圖如圖1所示。音頻信號（如：電吉它的單聲道聲音信號是150mV的電信號）經(jīng)過高精度高速的ADC轉(zhuǎn)換后得到一串?dāng)?shù)字信號，分幀輸入到波形輸入緩沖區(qū)RAM。然后由手動控制一種或幾種處理算法將音頻信號調(diào)入TMS320C5402的內(nèi)部進行高速運算。經(jīng)過處理的音頻信號，再輸入到高精度高速的DAC轉(zhuǎn)換器中，還原成模擬的聲音信號，經(jīng)音箱功率放大電路放大輸出。

利用緩沖區(qū)的目的是進行音效的實時處理。系統(tǒng)中各模塊是同時進行處理的，一部分信號正在ADC中進行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號則在DSP處理器中同時進行算法處理，即整個系統(tǒng)是以流水線的方式進行工作。

2 硬件電路的設(shè)計

高保真的音頻系統(tǒng)應(yīng)該具有較寬的動態(tài)范圍，選擇16～24位的ADC和DAC能完全捕獲或恢復(fù)高保真的音頻信號。系統(tǒng)的核心芯片（DSP）選用美國TI公司的TMS320VC5402[1]（以下簡稱'C5402）。

2.1 DSP芯片

作為DSP家庭高性價比代表的16位定點DSP芯片，'C5402適用于語音通信等實時嵌入應(yīng)用場合。與其它'C54X芯片一樣，'C5402具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力。其性能特點如下：操作速率可達100MIPS；具有先進的多總線結(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40位桶形移位器和兩個40位累加器；一個17×17乘法器和一個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個輔助寄存器及一個軟件棧，允許使用業(yè)界最先進的定點DSP C語言編譯器；數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g為1M×16bit，內(nèi)置4K×16bit ROM和16K×16bit RAM；內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（PLL）時鐘產(chǎn)生器、兩個多通道緩沖串口、一個與外部處理器通信的8位并行HPI口、兩個16位定時器以及6通道DMA控制器且低功耗。與'C54X系列的其它芯片相比，'5402具有高性能、低功耗和低價格等特點。它采用6級流水線，且當(dāng)RPT（重復(fù)指令）時，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。

'C5402采用3.3V和1.8V電源供電，其中I/O采用3.3V電源供電，芯片的核采用1.8V電源供電。而實際常用的只有5V電源，所以必須采用電源轉(zhuǎn)換芯片。選用TPS7301和TPS7333兩塊電源轉(zhuǎn)換芯片（它們都是TI公司為配合DSP而設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換芯片），分別接上適當(dāng)?shù)耐鈬娮瑁瑯?gòu)成電阻分壓器，即可調(diào)整兩塊芯片的輸出電壓分別為3.3V和1.8V。

    2.2 A/D電路    基本的時鐘信號可以來自CPU時鐘，也可以來自晶振時鐘，這在SRGR2寄存器中的第13位設(shè)置?；緯r鐘輸入后，經(jīng)CLKGDV（SRGR1的第7位到第0位）所設(shè)置的值進行第一次分頻，得到位時鐘信號（由BCLKX1腳輸出）。值得注意的是，位時鐘信號最高為DSP頻率的一半。位時鐘信號經(jīng)FPER（SRGR2的第11位到第0位）和FWID（SRGR1的第15位到第8位）所設(shè)置的值進一步分頻得到采樣時鐘信號（由BFSX1腳輸出），F(xiàn)PER和FWID分別設(shè)置采樣時鐘信號的低電平和高電平的時間值。'C5402與PCM1744的硬件接線如圖4所示。    另外，樂音具有較大的動態(tài)范圍，但音響設(shè)備本身允許的信號動態(tài)范圍是有限的。如果對樂音不作處理直接送到音箱，則會產(chǎn)生大信號過載而失真，從而使小信號淹沒在噪聲中的情形，音質(zhì)因而下降。設(shè)計算法對音頻信號進行壓縮處理，其目的就是來改變信號的動態(tài)范圍，使大信號的強度變?nèi)?，小信號的強度增強，即信號的放大倍?shù)隨著輸入信號的電平而改變。壓縮算法要保證系統(tǒng)的頻率響應(yīng)保持平坦。

PCM1800是雙聲道單片Δ-∑型20位ADC，單+5V電源供電，信噪比為95dB，動態(tài)范圍為95dB，其內(nèi)部嵌有高通濾波器，具有PCM音頻接口和四種數(shù)據(jù)格式，分為主控和受控兩種模式，采樣頻率可選為32kHz、44.4kHz和48kHz。

PCM1800構(gòu)成音頻信號采集系統(tǒng)時，主要涉及到BCK（位時鐘信號）、LRCK（采樣時鐘信號）、FSYNC（幀同步信號）、DOUT（數(shù)字信號輸出）、SYSCLK（系統(tǒng)時鐘輸入）這幾個對時序有要求引腳。通過對引腳MODE0和MODE1進行編程，可讓PCM1800工作于主控模式（Master Mode）。此時，BCK、LRCK、FSYNC均作為輸出，其時序由PCM1800內(nèi)部的時鐘產(chǎn)生電路控制。但SYSCLK只能由外部提供（這里用'C5402的TOUT腳輸出信號提供）。PCM1800的系統(tǒng)時鐘只能是256fs、384fs或者512fs，這里fs是單頻信號采樣頻率。在主控模式時，F(xiàn)SYNC用來指明PCM1800的DOUT輸出的有效數(shù)據(jù)，它的上升沿表明一幀數(shù)據(jù)的起始，下降沿表明一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。FSYNC的頻率是采樣時鐘頻率LRCK的2倍 。在此模式下，位時鐘信號BCK的頻率是采樣時鐘頻率LRCK的64倍。

通過對PCM1800的FMT0、FMT1兩引腳編程（FMT0=1,FMT1=0），可以設(shè)置PCM1800輸出的數(shù)據(jù)格式為20位的IIS格式。為了保證在數(shù)據(jù)處理時不影響新數(shù)據(jù)的接收以及在接收數(shù)據(jù)時不斷正在進行的數(shù)據(jù)處理過程，采用了多通道緩沖同步串口（McBSP）。PCM1800與'C5402連接后，'C5402使用緩沖串口0接收數(shù)據(jù)，各種同步信號由PCM1800產(chǎn)生，'C5402是被動接收各種信息。PCM1800與'C5402的硬件接線圖如圖2所示。

2.3 D/A電路

PCM1744是雙聲道立體聲DAC，包含數(shù)字濾波器和輸出放大器，動態(tài)范圍為95dB，具有多種采樣頻率可選，最高可達96kHz。采用24位的IIS數(shù)據(jù)輸入格式。PCM1744的操作主要涉及到LRCIN（采樣時鐘信號輸入）、BCKIN（位時鐘信號輸入）、SCKI（系統(tǒng)時鐘輸入）、DIN（數(shù)據(jù)輸入）這幾個對時序有要求的引腳。PCM1744與'C5402連接后，'5402使用緩沖串口1發(fā)送數(shù)據(jù)，各種時鐘信號均由'C5402產(chǎn)生，PCM1744被動接收各種信息。PCM1744的系統(tǒng)時鐘信號（SCKI）由'C5402的TOUT引腳提供，TOUT是'C5402的定時器輸出信號引腳，有較強的驅(qū)動能力，可以驅(qū)動多個芯片。PCM1744的數(shù)據(jù)接收時鐘格式必須是IIS格式，'C5402在緩沖串口寄存器中設(shè)置各種時鐘方式時，必須滿足IIS格式的要求。'C5402作為主動工作器件，可以對其緩沖串口輸出信號進行調(diào)整。輸出的采樣時鐘信號、位時鐘信號可以在McBSP寄存器SRGR1和SRGR2中設(shè)置，設(shè)置遵循圖3的原則。[!--empirenews.page--]

PCM1800完成音頻信號采集后，在DSP的外擴程序存儲器中嵌入相應(yīng)的處理算法，語音信號經(jīng)處理后，再從PCM1744輸出。

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要包括DSP編程和PC編程。DSP程的主要任務(wù)是初始化、管理板上的資源和完成音頻的處理算法，可參考有關(guān)資料。PC編程重點則是管理DSP操作和應(yīng)用層軟件編寫。

3.1 A/D與D/A程序設(shè)計

為了在20kHz的音響頻段獲得優(yōu)良的音頻輸出，A/D和D/A的采樣頻率應(yīng)該達到44.1kHz或48kHz。要正確編寫采樣和輸出音頻信號的程序，必須對'C5402的McBSP相關(guān)寄存器（spcr1,spcr2,rcr1,rcr2,xcr1,xcr2,srgr1,srgr2,mcr1,mcr2,rcera1,rcerb1,xcera,xcerb,pcr1）進行正確的設(shè)置[1]，以滿足'C5402和PCM1744、PCM1800的各種時序要求（位同步、幀同步、時鐘信號等）。為了使TOUT能給外圍器件提供時鐘信號，就設(shè)計到DSP的定時和中斷操作，具體請參考TI提供的Spru302.pdf資料。

3.2 DSP和PC的編程

DSP程序首先初始化'C5402和模擬接口。在分配好相應(yīng)的緩沖區(qū)和產(chǎn)生相應(yīng)的中斷之后，進行各項音效處理算法，例如：壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲抑制ZNR、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時反唱等，或者幾種算法混合進行。

PC的編程包括DSP接口部分和應(yīng)用層編程部分。在PC程序的開始，與DSP接口部分的程序先調(diào)用初始化函數(shù)，將DSP程序下載到DSP（初始化程序在DSP中載入一個很小的自舉程序，然后通過自舉程序一段一段地把全部程序載入DSP）中。初始化完成后，與DSP接口部分程序再按自定義的“通信協(xié)議”在指定位置讀出DSP處理結(jié)果幀或DSP的請求幀，并將它交給上一層（應(yīng)用程序）處理。應(yīng)用程序亦通過與DSP接口部分程序向DSP發(fā)出各種命令。上層應(yīng)用程序是用戶使用系統(tǒng)的界面，它提供語音數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)管理等功能。

3.3 基于優(yōu)化工具的程序優(yōu)化

根據(jù)用戶的要求，選擇C程序優(yōu)化器和匯編優(yōu)化器，對編碼器的特定性能如代碼長度、計算速度等進行優(yōu)化。使用方法是在編譯（Built Options）時設(shè)定不同的編譯選項來控制優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)我們的實踐，認為選擇下列幾項進行優(yōu)化對提高計算速度等的影響較大：

（1）-pm：程序級全局優(yōu)化，包括程序的外部訪問、全局變量的優(yōu)化和函數(shù)的外部調(diào)用。

（2）-o3：采用三級優(yōu)化技術(shù)。其中第一級優(yōu)化主要完成消除無用賦值和局部公共表達式等，第二級優(yōu)化主要完成循環(huán)算法的優(yōu)化并將循環(huán)中的數(shù)組訪問轉(zhuǎn)化為指針增量形式、實施循環(huán)展開。消除全局公共了表達式和無用賦值等，第三級優(yōu)化主要完成消除冗余代碼、簡化表達式和語句、使用內(nèi)聯(lián)（inline）函數(shù)并展開等。-03在上述基礎(chǔ)上還完成消除從未使用的函數(shù)、對函數(shù)聲明進行重排序和對函數(shù)使用的內(nèi)聯(lián)形式等。

（3）使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)（intrinsic）。'C5402編譯器提供的intrinsi可以快速優(yōu)化C代碼。Intrinsic是直接映射為內(nèi)聯(lián)的'C5402指令的特殊函數(shù)（ETSI函數(shù)）。Intrinsic用前下劃線表示，使用時同函數(shù)的調(diào)用一樣。

實際表明：選擇上述幾項進行優(yōu)化，只要編譯選項選擇適當(dāng)，其效果很顯著的，計算速度可提高5～10倍，當(dāng)然其代碼長度會有少許增加。

3.4 音頻信號處理算法簡介[2]

在聲音的拾取和傳輸過程中，由于設(shè)備和器件的限制，其幅度對頻率的響應(yīng)并不是一致的，極有可能出現(xiàn)某些頻率成分的增益太大或太小。對于頻率響應(yīng)特性的這類缺陷，需要進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。音頻信號的均衡算法，這是通過軟件設(shè)計調(diào)節(jié)某些頻率成分的增益，對其進行提升或衰減。聲音信號經(jīng)均衡處理后，可以彌補頻率響應(yīng)特性的缺隱，也可以人為地制造一些較好的音響效果。

當(dāng)然，音頻信號的處理是一個很復(fù)雜的過程，例如，電吉它音效器還包括調(diào)制、延時混響等算法的處理。

本文設(shè)計的音頻信號采集與處理系統(tǒng)，已作為電吉他等音效器研制的硬件試驗平臺，并具有如下算法：壓縮模塊、失真模塊、ZNR/AMP模塊、均衡模塊、調(diào)制模塊、延時混響模塊。各個模塊可以單獨使用，也可以串聯(lián)使用，并采用兩個LED數(shù)碼顯示器表示選擇好的混合音效模式。它大大改變了電吉它自身的音色，可產(chǎn)生壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲擼制（ZNR）、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時反響等多種單獨的音色效果，也可同時使用幾種音色效果，極大地豐富了電吉他現(xiàn)場演奏效果。把相同的電吉它信號分別輸入ZOOM 505（日本ZOOM公司生產(chǎn)）和該系統(tǒng)，然后分別把輸出波形在時域與頻域以及幅值與相位上進行分析比較，進行算法的優(yōu)化處理，可以發(fā)現(xiàn)最終音色效果相差無幾。另外，在此系統(tǒng)中，既有A/D又有D/A，構(gòu)成一個閉環(huán)，可自發(fā)自收；而算法則集中在DSP芯片內(nèi)進行模塊化處理，這給系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試帶來了很大的方便。所以，如果能在本文提出的以TMS320VC5402 DSP芯片為核心器件的音頻信號采集與處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出功能及效果與ZOOM 505相比美的電吉它音效器，可以從根本上改變國內(nèi)目前的電吉它音效器市場基本上被國外產(chǎn)生所壟斷的局面[3]，具有很強的實用價值。