DSP與MATLAB的語音數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

1 引言
目前迅速發(fā)展的數(shù)字信號處理器已在數(shù)據(jù)采集、通信及多媒體等領域中得到廣泛的應用。本系統(tǒng)采用TI公司16位定點高速芯片TMS320C5410和專用語音采集芯片TLC320AD50進行數(shù)據(jù)采集和相關濾波、壓縮處理，并將最終的數(shù)據(jù)流經(jīng)串口送入計算機。在計算機中使用MATLAB控制串口接收數(shù)據(jù)并完成解壓、回放、編碼、通信仿真等處理。

2 硬件接口電路

2.1 TMS320C5410外部擴展電路
TMS320C5410是TI公司于1996年推出的定點數(shù)字信號處理器。它運行速度快，單周期定點指令執(zhí)行時間10ns或8.3ns，遠大于語音采集和處理的要求。另外它采用修正的哈佛結構，程序與數(shù)據(jù)分開存放，內(nèi)部具有8條高度并行性的總線。其中，一組程序總線，三組16位數(shù)據(jù)總線和四組地址總線。允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中，并被算術指令直接使用，大大提高了運行速度和靈活性。CPU具有40位算術邏輯單元，兩個獨立的40位累加器，17×17位并行乘法器，一個40位桶形移位寄存器、8個輔助寄存器、2個輔助寄存器算術邏輯單元。最大可有8M字可尋址程序存儲空間，可訪問的數(shù)據(jù)存儲空間有64K字，I/O存儲器空間有64KB。其中片內(nèi)64KB的RAM包括兩塊2KB的DARAM，七塊8KB的SARAM以及片內(nèi)16KB的ROM配置位程序存儲器。片上集成一個16位定時器、軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、六通道直接存儲器訪問（DMA）控制器、三個多通道緩沖串口（McBSP）以及一個8位增強型主機接口（HPI8）。
圖1為DSP與存儲器的接口電路，其中PS、DS、IS分別為程序、數(shù)據(jù)和I/O空間選擇信號。MSTRB、IOSTRB分別為存儲器和I/O選通信號。
另外，由于FLASH存儲器與EPROM相比有更高的性價比，而且體積小，功耗低，可電擦寫，使用較方便。因此，本系統(tǒng)也擴展了一片F(xiàn)LASH存儲器，圖2為DSP與FLASH的接口電路。FLASH芯片為AMD公司的AM29LV400B，該芯片為單電源供電，支持整片擦除，每個分區(qū)有保護，避免意外擦除，并且使用壽命很長。

2.2 TMS320C5410與TLC320AD50的接口電路
AD轉換是本系統(tǒng)的重要組成部分，要著重考慮轉換精度和抗干擾問題。本系統(tǒng)所用AD和DA轉換芯片為TI公司的TLC320AD50，它在一個封裝中集成了兩種功能，可同時進行AD和DA轉換。圖3為TMS320C5410和TLC320AD50的接口電路。
AD50采用16位過采樣sigma-delta技術，以8K的采樣率對輸入的語音信號進行采樣、量化，按同步串行方式傳給5410進行處理。AD50向CPU發(fā)出幀同步和移位時鐘信號來控制數(shù)據(jù)的串行傳輸。在此需說明一下，本系統(tǒng)主要用來將語音信號通過AD轉換采集進來，然后串行發(fā)送給PC，在PC中用MATLAB接收信號并進行處理。整個過程中DA轉換并不在信號處理的主要流程中，DA轉換只是用來驗證采集數(shù)據(jù)時所用到的濾波、壓縮算法的正確性與合理性。所以，在編寫系統(tǒng)軟件時并沒有將DA轉換寫入。此外，把DA轉換加進來也是為了豐富系統(tǒng)硬件資源利于今后進行功能擴展。
2.3 TMS320C5410與PC機的串口通信
本系統(tǒng)采用MAX232E構成5410與PC間的通信接口。MAXIM公司的MAX232E采用單5V電源供電，使用時只需外接4個電容就能完成TTL與RS232間的電平和邏輯關系的轉換。經(jīng)過DSP系統(tǒng)處理的語音信號通過串口以9600b/s的速率送入計算機，在計算機中通過MATLAB控制串口接收數(shù)據(jù)，并且利用MATLAB強大的數(shù)據(jù)處理能力對語音信號進行處理。

3 軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件由上位機部分和下位機部分組成。其中，下位機部分主要是針對DSP編程完成語音信號的采樣、量化、濾波、壓縮編碼、以及與PC的串行通信。上位機部分主要是采用MATLAB語言編程進行串口數(shù)據(jù)接收、解壓縮、以文件的形式存儲數(shù)據(jù)并且最終將該數(shù)據(jù)文件送入本人用MATLAB語言完成的一個通信信號處理系統(tǒng)進行進一步處理。
3.1 下位機部分
整個下位機部分的程序流程圖如圖4所示，其中濾波部分為一個FIR高通濾波算法。這是因為主要采集的對象為語音信號，而TLC320AD50內(nèi)部只有一個低通濾波器，可以用于濾除高于3.4kHz的干擾信號，但是對于低于300Hz的干擾則無能為力，所以針對DSP編程設計一個FIR高通濾波器濾除低頻干擾。FIR濾波器在數(shù)學上可表示為：

式（1）中x(n)為最近的輸入信號，x(n-k)為延時了k個取樣周期的輸入信號，y(n)為時刻t=nT的濾波器輸出信號，N為濾波器的階數(shù)。h(k)是第k個延時節(jié)的加權值，既濾波器系數(shù)，可由MATLAB的kaiserord函數(shù)和fir1函數(shù)共同算得。從計算結果可以看出，一個N（設N為偶數(shù)）階的FIR濾波器具有系數(shù)對稱性，從而其輸出方程可進一步簡寫為：
y(n)=h0[x(k)+x(k-N+1)]+h1[x
(k-1)+x(k-N+2)]+Λ+
nH/2-1[x(k-N/2+1)+x(k-
vN/2)] (2)
根據(jù)（2）式可以編寫相應程序完成FIR高通濾波。
語音壓縮部分采用的是非失真的壓縮算法。具體為：當有兩個以上連續(xù)相等的數(shù)據(jù)時，可以用3字節(jié)表示，即前2字節(jié)相等表示被壓縮的數(shù)據(jù)值，后1字節(jié)表示被重復次數(shù)。由于語音信號自身的特點，即冗余度大，這就為此種壓縮提供了可能。同樣，在解壓時，程序讀入數(shù)據(jù)流，當遇到兩個相等數(shù)據(jù)時則重復此數(shù)，重復次數(shù)由后一個數(shù)據(jù)決定。
3.2 上位機部分
本次設計中比較新穎的地方就是上位機部分采用MATLAB控制串口接收并處理數(shù)據(jù)。比起VC或者VB，用MATLAB作上位機程序有其獨特的優(yōu)勢。MATLAB自帶很龐大的函數(shù)庫，控制串口有serial等函數(shù)，語音的回放有wavread函數(shù)，至于信號處理更是MATLAB的強項，它自帶的信號處理工具箱函數(shù)大大的縮短了系統(tǒng)軟件開發(fā)的周期。另外，MATLAB作人機交互界面也很方便，其自帶的GUI工具包使整個過程快捷、流暢，比起VB也遜色不了多少。
3.1.1 MATLAB的人機交互軟件設計

用MATLAB控制串口接收數(shù)據(jù)有以下幾步：
1. 先進行串口的初始化操作，然后打開串口，用到的函數(shù)為：serial和open。
2. 設定MATLAB和DSP的握手方式，可通過串口目標的FlowControl屬性設定。
3. 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，用到fread和fwrite函數(shù)。
界面如圖5所示，調試時注意MATLAB本身的GUI環(huán)境下設計的軟件界面不能使用全局變量，若是使用會出現(xiàn)函數(shù)使用錯誤。另外，接收和發(fā)送數(shù)據(jù)之前要清PC的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以免接收到或發(fā)送的數(shù)據(jù)不是當前數(shù)據(jù)。最后，接收到的數(shù)據(jù)應以文件的形式存儲下來，以便后續(xù)的系統(tǒng)處理。
3.1.2 信號處理系統(tǒng)設計
上位機的信號處理系統(tǒng)的設計思路是這樣的，信號首先以文件的形式輸入處理系統(tǒng)進行頻譜分析，觀察信號是否被噪聲污染。若其頻譜含有噪聲譜則馬上進入濾波器模塊進行濾波，以濾除信號中的噪聲。然后，再將濾波后的信號送入編解碼模塊進行編碼或解碼（在這里用戶可以選擇不同的編解碼方式）。最后將信號送入通信仿真模塊進行各種調制或解調處理及相應波形的顯示。

結束語
TMS320C5410作為高速數(shù)字信號處理器具有快速的運算能力，結合MATLAB強大的信號處理能力，完全可以達到較復雜的語音信號處理要求。而且系統(tǒng)的可擴展能力很強，可對軟件進行修改或者添加新的快速的算法提高系統(tǒng)信號處理的實時性