（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp技术的音频处理器的设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着科技的日益进步，视音频行业与i t 行业越来越紧密的结合在一起。 i t 领域的科技成果越来越普遍的应用于视音频领域并大大地推动了视音频 科技的进步。传统的模拟视音频产品如今渐渐退出，数字化已经是一个不可 抵挡的趋势。音频处理的数字化是利用数字滤波算法对采集到的音频信号进 行变换处理来实现的。传统的数字滤波器采用乘法和累加( m a c ) 结构，需要 进行多次的乘法和加法运算。在这种转换和处理的过程中需要做大量的数字 运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时( r e a l - t i m e ) 的数 字信号处理。所以在音频领域内使用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 即 数字信号处理器) 就有很突出的优势。 d s p 芯片是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的，具有特殊 结构的微处理器。随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字 信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。在各种数字信号处理 器中，以t i 公司的t m s 3 2 0 系列最具代表性，论文选用t m $ 3 2 0 v c 5 4 0 2 正是 考虑了其在信号处理上的优秀性能及通用性。 针对音频系统的要求，论文详细介绍了系统电路结构设计、功能设计、 音频信号编解码电路的实现。该音频处理器在设计工作中，综合考虑成本与 性能等因素，确定：1 ) 以t i 公司的数字信号处理器t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为处理 器；2 ) 使用t i 公司的立体声音频编解码器芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 完成了音频 信号的编解码；3 ) 使用a l t e r a 公司的可编程逻辑器件( c p l d ) e m p 7 1 2 8 s t c l 0 0 实现系统相关的逻辑控制；4 ) 使用a m d 公司的f l a s h 存储器a m 2 9 l v 4 0 0 b 来 存放程序代码。 本文分别从硬件和软件两方面对该设计进行了研究，并介绍了该处理器 的设计思想、硬件组成和软件编程。本论文设计并实现了一种基于d s p 和 c p l d 技术的音频处理器，可以脱机工作，也可在已有的硬件基础上进行二 次开发。整个仪器具有体积小、成本低、开发简单、应用灵活等优点。 关键词：d s p 、音频处理器、音频信号、t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a st e c h n o l o g ya d v a n c e s ，t h ea u d i oi n d u s t r ya n dt h ei ti n d u s t r yi sm o r e c l o s e l yt o g e t h e r t e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n t si nt h ef i e l do fi tt e c h n o l o g ym o r e w i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do f a u d i oa n dv i d e o ，a n dh a v ep r o m o t e dt h ea u d i oa n d v i d e op r o g r e s s n o wt h ea n a l o ga u d i op r o d u c th a sg r a d u a l l yf a d e do u t ，t h e d i g i t a li s at r e n d t r a d i t i o n a ld i g i t a lf i l t e rw h i c ha d o p t sm u l t i p l i c a t i o na n d s u m m a t i o n ( m a c ) s t r u c t u r e ，n e e d sm u l t i p l i c a t i o n a n da d d i t i o na r i t h m e t i c c a r r y i n go u tm a n yt i m e s s i tn e e d st ob ed o n eal a r g en u m b e ro fn u m e r i c a l o p e r a t i o n si nt h ep r o c e s so ft r a n s f o r ma n dd e a lw i t h , s ow ec a nc h o o s et h e m i c r o p r o c e s s o rw h o s eo p e r a t i o ni sm u c hf a s t e rt oc o m p l e t er e a l t i m ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g s oi th a sv e r yo u t s t a n d i n ga d v a n t a g em a k i n gu s eo fd s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) i nt h ef i e l do fa u d i o d s pc h i pi se s p e c i a l l yd e s i g n e df o rf a s tr e a l i z i n gv a r i o u sd i g i t a ls i g n a l s p r o c e s s i n ga r i t h m e t i c i th a sam i c r o p r o c e s s o rw i t ht h ee s p e c i a lc o n f i g u r a t i o n w i t ht h ee m b e d m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yr e v o l u t i o na n dt h e f l y i n g d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh a sg r a d u a l l y b e e nak e yt e c h n i c a ls u b j e c t i nv a r i o u sk i n d so fd s p , t h et y p i c a lo n ei st h e t m s 3 2 0f a m i l yp r o d u c e db yt h et e x a s ( t i ) i nu s a o nt h eg r o u d so ft h e p e r f e c tc a p a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t yo fd s pi nt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，t h e c h o i c eo fd s pa st h ec o r ec o m p o n e n ti nt h ea u d i os y s t e mi sw i s ea n da d v i s a b l e a n dt h et m s 3 2 0 v c 5 4 0 2s e r i a l so ft ic o m p a n yc o m p r i s eo ft h em o s ti m p o r t a n t p a r t si nt h ef i x e d - p o i n td s pp r o d u c t s p a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n a t i o n so fs y s t e mc i r c u i t r y , f u n c t i o n a ld e s i g n ， a u d i oc o d e cc i r c u i ti nd e t a i lb a s e do nt h ea u d i os y s t e m i cn e e d c o n s i d e r a t i o no f s u c hf a c t o r sa sc o s ta n dp e r f o r m a n c ei nt h ed e s i g n ，t h em a i nh a r d w a r eo ft h e a u d i op r o c e s s o rc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gp a r t s ：1 1t i st m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o rt op r o c e s s o r ；2 ) t h eu s eo ft h et is t e r e oa u d i oe o d e cc h i p t l v 3 2 0 a 1 c 2 3 bc o m p l e t e dt h ea u d i os i g n a lc o d e c ；3 1t h eu s eo fa l t e r a s 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i l 页 r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) e m p 7 1 2 8 s t c l 0 0r e l a t e dt ot h er e a l i z a t i o n o fs y s t e mc o n t r o l1 0 9 i c ；4 ) l l s ea m 2 9 l v 4 0 0 ba m d sf l a s hm e m o r yt os t o r e p r o g r a m c o d e t h i sp a p e ri sg o i n go nr e s e a r c ht oa l li n s t r u m e n tu s e dt om e a s u r ec o m f o r t a n ds p e r l i n go ft r a i nf r o mh a r d w a r ea n ds o f t w a r es e p a r a t e l y t h e p a p e r i n t r o d u c e st h ed e s i g ni d e a , t h eb u i l d u po fh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ep r o g r a m m e o u rp r o j e c ti st od e s i g nad s p b a s e df i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o nm o d u l ew h i c h w o r k so f f l i n ea n dc o u l db ea no e mp r o d u c t t h i sm o d u l ef e a t u r e sw i t ht h e p e r f o r m a n c eo f s m a l l ，l o wc o s t ，e a s yt od e v e l o pa n df l e x i b l et oa p p l y ，e t c k e y w o r d s ：d s p , a u d i op r o c e s s o r ，a u d i os i g n a l ，t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景、意义 第1 章绪论 随着科技的日益进步，视音频行业与i t 行业越来越紧密的结合在一起。 在过去的2 0 年中，数字音频处理技术已经取得了长足的进步。但是大多数 的“数字系统”并没有完全达到数字化，实际上大多部分音频系统的处理都 仍在模拟领域进行。在模拟音频技术中，对音频信号的处理手段和方法都直 接影响到模拟音频系统的回放质量。数字音频处理就是对音频信息进行采 样，并使用二进制序列存放，通过对采集到的数据进行均衡等处理，达到改 变声音听觉效果的目的。 过去拥有最好音质的厂商无疑就能满足用户的需求。但是数字时代的到 来，使得厂家可以不再把音质的改进放在首位。实际上用户的需求已经很大 程度上由性能转向功能，过去用户最关心的是音质，而进入数字时代后，由 于数字音频信号的特点，可以说，音质已经达到了普通用户可以不再计较的 程度。 传统的音频产品，音频的处理大多数都是使用模拟设备，体积较大，精 度低，容易受环境影响，而且元件易老化而影响。使用数字音频处理器，则 使设备体积大大缩小，精度得到提高，且数字设备受环境影响较小，不会因 老化影响性能。音频信号处理的数字化就是利用数字滤波算法对采集的音频 信号进行变换处理来实现的。 i t 领域的科技成果越来越普遍的应用于视音频领域并大大地推动了视 音频科技的进步，其中d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 即数字信号处理 器) 在音频领域内的应用就是一个很好的例子。传统的模拟视音频产品如今 渐渐退出，数字化已经是一个不可抵挡的趋势。数字化的视音频产品必将涉 及将模拟信号转换成数字信号后进行处理的问题。在这种转换和处理的过程 中需要做大量的数字运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时 ( r e a l t i m e ) 的数字信号处理。 与遵循冯诺依曼结构的c p u 和单片机不同，典型的d s p 内部采用改进 的哈佛结构和流水线技术，可以在单指令周期内完成乘加运算，具有较高的 处理能力。随着d s p 的广泛应用，利用d s p 进行音频信号实时处理是当今信 息技术发展的一个方向。开发音频信号处理系统能够为各种格式和标准的音 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 频算法研究和实现提供通用平台。 基于d s p 数字音效处理系统较之模拟音效处理系统具有高度集成、设计 灵活方便、可靠性高、可编程控制等优点，目前广泛的应用在电子乐器、高 级组合音响、数字音频工作站等领域。基于d s p 的数字音效处理系统与模拟 音效处理系统的具体比较如表i - i 。 表卜1d s p 数字音效处理系统与模拟音效处理系统的比较 采用的解决方案基于d s p 的数字音效处理系统模拟音效处理系统 功能多样化筮一 体积小较大 性能指标 高低 一 系统集成度局低 灵活性灵活方便差 开发周期较短较长 可靠性较高较低 成本较低较高 1 2 音频系统研究的现状与趋势 目前国内d s p 在语音方面的应用主要集中在语音信号的识别和处理以 及m p 3 的解码，而基于d s p 的专业数字音效处理产品主要由美国和日本研 制和生产，国内音响厂商和科研单位尚未见有自主知识产权的研究成果或产 品出现，以d s p 为基础的数字音效处理系统在国内基本上还是一片空白。例 如在调音台和各种音响设备上，音频处理器更是一种不可缺少的设备。有了 音频器，才有声音的千变万化。高品质的音频器能达到令人满意的效果，使 人有身临其境的感觉。目前国内的音频器市场多被国外产品所垄断，价格昂 贵。国产的音频器又多为模拟实现，成本高、损耗大、干扰大、稳定性差， 且参数不易修改，不易产品升级。而基于d s p 技术与c p l d 技术相结合的音 频处理器，能克服以上缺点，达到满意的效果。使用d s p 技术和c p l d 技术 使得我的设计方案性能达到非常优化，同时适合市场需求，所以应该说是有 很大的现实意义的。 随着声学技术和数字技术的发展，研究工作的深入使人们进一步了解到 提高音质的有关问题，例如音频工作站可替代调音台，全固态录音技术可替 代光盘和磁带的数字录音技术，谐波失真感觉阀有助于听觉对音质的感受， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 调制转移函数和语言传输指数可以采用客观测量方法评价音质，多媒体音频 技术表明可以更多地将数字技术使用在高保真系统中，厅堂音质模拟的数字 技术允许厅堂建成以前就能听到未来的厅堂音质，音频测量的数字技术可以 实现过去无法实现的声学测量方法，噪声和振动的自适应有源控制技术可以 用来降低低频噪声和低频振动，以改善通风管道的消声性能和降低结构的声 辐射，使室内噪声，特别是低频噪声进一步降低。此外，近年来发展的弯曲 振动型扬声器会以新的工作原理改善传统动圈扬声器的缺陷；采用l b i t 数 字音频技术的超级音频激光唱片，在p c m 技术基础上提出了更好的编码技 术，有可能发展成全新的l b i t 录音放音系统。不久的将来，音频技术的进 展必将使厅堂的性能更加完善。 1 3 主要研究内容 本文将d s p 技术引入到音频处理的设计中，改变了传统的设计方法。将 d s p 技术和c p l d 技术结合，让c p u 参与音频信号的设置，最后通过d s p 片 内外输出处理后的音频信号。这样的音频处理器不仅完成了其基本功能，而 且能通过修改写入f l a s h 中的程序，实现对数据的特定处理，也就是为今后 的应用搭建好了一个音频信号处理平台。在理论方案验证通过的基础上，完 成了音频处理器硬件设计和软件设计，最终开发出一套实用的音频处理器。 具体内容包括： ( 1 )通过理论分析，确定系统总体方案； ( 2 ) 选择经济适用的元器件； ( 3 )系统硬件设计： ( 4 )系统软件设计： ( 5 )各功能模块调试和联合调试： ( 6 )调试结果分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章数字音频处理的相关知识 2 1 数字音频信号 2 1 1 音频信号的特点 声音按其频率可分为3 种，次声( 频率低于2 0 h z ) 、超声( 频率大于 2 0 k h z ) ，这两类声音是人耳听不到的，人耳可以听到的声音是频率在2 0 h z 2 0 k h z 之间的声波，称其为可听声。音频信号就是指这一类声音，按表示媒 体的不同，此类声音有3 类：语音：由口腔发出的声波，频率大致在2 0 0 h z 3 4 k h z 之间，主要用于信息解释说明、叙述、答问，也可以作为命令参数 输入语音：音乐声：是由各种乐器产生的，声频范围都可以存在，本身可 供欣赏，也可作为烘托气氛，视音频信息重要组成部分之一；效果声：大 自然物理现象产生的如刮风、下雨、打雷等，还有一些人工产生的，如爆破 声等，在多媒体中对语音和文字起补充作用。 音频信号处理的特点如下：音频信号是依赖时间的连续媒体。因此音 频处理的时序性要求很高。如果在时间上有2 5 m s 的延迟，人就会感到断续。 由于人接收声音有两个通道( 左耳、右耳) ，因此为使计算机模拟自然声 音，也应有两个声道，即理想的合成声音应是立体声。由于语音信号不仅 仅是声音的载体，同时还携带了情感的意向，故对于语音信号的处理，不仅 是信号处理问题，还要抽取语意等其他信息，因此可能会涉及到语言学、社 会学、声学等。 多媒体中应用的音频信息有两个来源：一是音源发出的波形声音。在多 媒体技术中，信息处理的硬件都是数字硬件或数字计算机，因此音频信息进 入系统必须进行数字化处理。二是合成声音。计算机通过一种专门定义的语 言去驱动一些预知的语言或音乐合成器，产生相应的声音，即m i d i 技术。 2 1 2 音频信号处理的基本原理 音频信号和其它的信号一样，可以用时域和频域的方法来分析处理它。 但同时，他又有自己的特殊性和特点。音频信号的研究涉及众多的领域和学 科，包括语音学、心理学、物理学和信号处理等。音频处理技术应用广泛， 根据应用方向的不同，他的理论基础和实际处理方法也有所不同。 1 、音频信号的时域处理方法 音频信号是一种典型的非平稳信号，它的均值函数o ( x ) 和自相关函数 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 r ( x 1 ，x 2 ) 都随时间而发生较大的变化。通过长久以来许多从事音频信号方面 工作的大量研究表明，音频信号的一个很重要的特点就是它的“短时性”， 某些时段中它呈现出随机噪声的特性，另一些短时段则呈现出周期信号的特 征，其他一些时段则是二者的混合。这就是说音频信号的特征是随时间变化 而不断变化的。所以对于音频信号的分析和处理就必须建立在“短时”的基 础上。在信号处理时，往往将音频信号作为一个短时的平稳过程来处理，即 假定在一段时间( 2 0 3 0 m s ) 内，其频谱参数和物理特性保持不变，实际处 理中都是先将连续的音频数据流用一个窗函数序列分割成一些连续段，然后 对每一段进行处理。 几种典型的分割窗函数序列有：矩形窗、海明窗和汉宁窗，分别定义为： 矩形窗阶) ：按凳虬- 1 l u 丹匕 海明窗矿( n ) ： ：5 4 一o 4 6 c 0 “2 册工一m雾s l - 1 【v 丹匕 汉宁窗矽( ) ： ：5 0 5 c o 文2 翮“工_ 1 黧- 1 【v丹匕 它们的时域波形和频域响应分别表示在图2 1 中。设时域窗长为l ，频 域主瓣宽度为a ，旁瓣高度为b ，则可以看出，矩形窗主瓣最小，但旁瓣最 高：海明窗具有最宽的主瓣，和最低的旁瓣高度。从应用的角度来说，矩形 窗有最高的频域分辨率，但泄漏较高，海明窗可以有效克服泄漏现象，具有 平滑的低通特性，因而得到广泛应用。 1 l 帖 0 0 5 0 1 1 卯 2 f l o2 5 0 弘i 一 1 0 p1 d l1 矿 1 酽 1 0 1 0 2 图2 - 1窗函数特性比较 1 矿 1 0 1 酽 。锄m瑚恤d加轫趣恤a曲棚卸舶佛 童a c - 奄e 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 、音频信号的频域处理方法 滤波器，通过一定运算关系改变输入信号所含的频率成分相对比例或滤 除某些频率成分的器件。数字滤波器的概念与模拟滤波器相同，只是信号形 式和实现滤波方法不同。当用硬件实现一个数字滤波器时，所需要的元件是 延时器、乘法器和加法器，当用软件上实现一个数字滤波器时，它即是一段 线性卷积程序。而模拟滤波器只能用硬件来实现，其元件是r ，l ，c 及运算放 大器或开关电容等。因此，数字滤波器的实现要比模拟滤波器容易得多，且 易获得较理想的滤波性能。数字滤波器具有比模拟滤波器精度高、体积小、 重量轻、灵活、不要求阻抗匹配以及实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功 能的优点。数字滤波器的可靠性和灵活性是模拟滤波器所不能比拟的，如果 要将一个模拟低通滤波器改为其他类型的滤波器，则需要改变硬件结构。而 且模拟滤波器受环境因素影响较大，品质因素q ( 与带宽有关) 固定，要达到 高精度的要求，就要增加成本。而数字滤波器有优异的可靠性和灵活性，带 宽可以灵活地改变，当需要改变滤波类型的时候，无需对硬件进行修改，且 受环境因素影响较小。数字滤波器一般有二个功能：( 1 ) 分离重合的信号。( 2 ) 恢复因为某些原因而变形的信号。模拟滤波器同样有这样的功能，然而，数 字滤波器能够达到远比模拟滤波器要好得多的结果。数字滤波器是i ) s p 非常 重要的一部分，正是它出色的性能，使得i ) s p 技术得到广泛的应用。 ( 1 ) 滤波器的原理： 一般。滤波器的作用就是对输入信号起到滤波作用。对具有冲激响应 h ( n ) 的l t i 系统，其时域输入输出关系是： y o ) = x 0 ) + h t n ) 若工仰) ，y o ) 的傅立叶变换存在，则输入输出的频域关系是： y ( p ”) = x ( p ”) 日( p “) 设计出不同形状的h ( e 扣) ，可以得到不同的滤波结果。若滤波器的输 入和输出都是离散时间信号，那么，该滤波器的冲激响应也必然是离散的， 即单位抽样响应h ( n ) 。我们称这样的滤波器为数字滤波器( d f ) 。当用硬件 实现一个d f 时，所需要的元件是延时器、乘法器和加法器。在计算机上实 现时、是一段线性卷积程序。而模拟滤波器( a f ) 只能用硬件来实现，其元件 是r ，l ，c 及运算放大器或开关电容等。因此，d f 的实现比a f 容易得多，且 易获得较理想的效果。 ( 2 ) 数字均衡器的实现 对于音频系统，往往要用滤波器对音场的均衡，音频系统中使用均衡器 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 可以对声频中的某些频段进行提升或衰减处理，修正房日j 声学特性和音箱幅 频特性的缺陷，或者对声音进行润色加工，以适应个人的爱好和增强现场感。 这样的滤波器就是s h e l v i n g 滤波器，频响曲线如图2 2 所示。 幅度 宽频一放大 、厂一 截止 频率 图2 2 均衡的s h e l v i n g 滤波器 由于均衡器能够在特定的频率范围内将信号放大或衰减，所以在音频工 业上有着广泛的应用，以往这些滤波器使用的都是模拟器件，然而随着数字 技术的发展，数字均衡器以其模拟均衡器无法比拟的强大功能、简单直观的 操作、可靠的性能，正逐步在专业音频领域推广开来。 ( 3 ) 混响效果的实现 混响效果用于模拟声音在声学空间( 例如大房间或礼堂等) 中的反射。 数字式混响器甚至可以创造出真实世界中不存在的空间效果。 数字式混响器是通过一个算法来处理声音，这种算法中用滤波器建立了 一系列的延时，模仿在真实房间中声波遇到墙壁和天花板后发生反射的情 况。 混响是由2 种简单的f i r 滤波器实现的，达到声音逐渐消亡的效果。如 图2 - 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 3 混响的实现 梳状滤波器是频谱呈现梳状的i i r 滤波器。梳状滤波器的冲击响应中可 以看出，其幅度的衰减呈指数性分布，这是与实际的房屋冲击响应特征一致 的。但是滤波器回声密度比较低，而且它不随时间的增长而增长，这是与实 际不相符的。另外它的频谱特性呈现周期状，会使处理后的声音有明显的染 色现象，即不同频率成份消减不相同，这很容易产生金属声，听起来不自然。 图2 - 4 和图2 5 分别是梳状滤波器的实现图和冲击响应图 图2 4 梳状滤波器的实现图 2 m3 m4 m5 m 图2 5 梳状滤波器的冲击响应图 全通滤波器的频响是一个常数，这样就不会产生染色现象。但是单个全 通滤波器回声密度仍然不高，这就需要将多个全通滤波器串联在一起以得到 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 更高的回声密度。因为每一个滤波器频谱都是全通的，所以串联在一起后整 体频响仍然是全通的。全通滤波器的实现如图2 - 6 所示。 图2 - 6 全通滤波器的实现图 2 1 3 音频信号的处理方法 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、交换、滤波、估值、增强等处理，以得到符合人们需要的信号形式。而 音频处理属于信号处理系统，所以数字信号的处理方法同样适用于数字音频 的处理。 数字音频信号处理的实现方法一般有以下几种： ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c ) 上用软件( 如c 语言) 实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现： ( 3 ) 在通用的单片机( 如m c s - 5 1 ) 实现。 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更 加适合于数字音频信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理 算法，在实时d s p 领域中处于主导地位 ( 5 ) 用专用的数字音频处理芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信 号处理速度极高，用通用d s p 芯片很难实现，例如专用于数字滤波、卷积及 相关算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实 现，无须进行编程。 ( 6 ) 用基于通用d s p 核的a s i c 芯片实现。随着专用集成电路a s i c 的 广泛应用，可以将d s p 的功能集成到a s i c 中。一般说来，d s p 核是通用d s p 器件中的c p u 部分，再配上用户所需的存储器( 包括c a c h e 、r a m 、r o m 、f l a s h 、 e p r o m ) 和外设( 包括串口、并口、主机接口、d m a 、定时器等) ，组成用户 的a s i c 。d s p 核概念的提出与技术的发展，使用户可将自己的设计，通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 d s p 厂家的专业技术来加以实现，从而提高a s i c 的水准，并大大缩短产品 的上市时间。 在上述几种方法中，第一种方法的缺点是速度较慢，一般可用于音频信 号算法的模拟与仿真；第二种和第五种方法专用性强，应用受到很大的限制， 第二种方法也不便于系统的独立运行；第三种方法只适合于实现简单非实时 性的音频信号的算法；只有第四种方法才使数字音频信号处理的应用打开了 新的局面。 2 2d s p 芯片及其开发环境 自2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞 速的发展。在几十年的时间里，d s p 芯片已经在信号处理，通信，雷达，视 音频等许多领域得到了广泛的应用。目前d s p 芯片的价格越来越低，性价比 日益提高，具有巨大的应用潜力。经过几十年的发展，d s p 器件在高速度、 可编程、小型化、低功耗等方面都有了长足的发展。而且应用范围也从最初 的局限于军工，航天等军事领域，扩展到今天的诸多电子行业及消费类电子 产品中。 2 2 1d s p 芯片基本结构和特征 可编程d s p 芯片是一种特殊结构的微处理器，为了快速进行数字信号处 理，一般都采用特殊的软硬件结构例如t i $ 3 2 0 系列d s p 处理器的基本结 构包括：( 1 ) 哈佛结构；( 2 ) 流水线操作；( 3 ) 专用的乘法器；( 4 ) 特殊的 d s p 指令；( 5 ) 快速的指令周期。这些特点，使得t m $ 3 2 0 系列d s p 处理器 可以实现快速的d s p 运算，并使大部分运算( 如乘法) 能在一个周期内完成。 t m s 3 2 0 系列处理器是软件可编程器件，所以具有通用微处理器的方便灵活 的特点。 ( 1 ) 哈佛结构。哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存 储空问中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储 器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和 数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存储在两个分 开的空间爱女中，因此取指和执行能完全重叠 ( 2 ) 流水线操作。流水线与哈佛结构有关d s p 广泛采用流水线，以 减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理 2 4 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段 ( 3 ) 专用的硬件乘法器。乘法速度越快，d s p 的性能越高。由于具有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 专用的应用乘法器，乘法可以在一个周期内完成。 ( 4 ) 特殊的d s p 指令。为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在 d s p 指令系统中，设计了一些特殊的d s p 指令，以完成以资额专门的运算。 例如c 5 4 kd s p 的f i r s 指令，专用于f i r 滤波运算 ( 5 ) 快速的指令周期。哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、 特殊的d s p 指令，再加上集成电路的优化设计，可使d s p 的指令周期在l o o n s 以下。面c 5 4 0 2 芯片的最快运行速度更是可以达到1 0 0 l l i i p s 。这使得d s p 芯 片能够实现许多d s p 应用。 2 2 2d s p 系统构成 一个典型的d s p 系统如图2 - 7 所示 图2 7 典型的d s p 应用系统 一般输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行模数( a d ) 变换， 将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，对低通模拟信号，为保 持信息的不丢失，抽样频率必须至少是输入带限信号最高频率的2 倍。 d s p 芯片的输入是a d 变换后得到的以抽样形式表示的数字信号，d s p 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理，如进行一系列的乘累加操作 ( 凇c ) 。数字处理是d s p 的关键，这与其他系统( 如电话交换系统) 有很大 的不同。最后，经过处理后的数字样值再经d i a 变换转换为模拟样值，之后 再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。 2 2 3o s p 系统特点及设计过程 数字信号处理系统是以数字信号处理为基础的，因此具有数字处理的全 部优点。 ( 1 ) 接口方便。d s p 应用系统与其他以现代数字技术为基础的系统或 设备都是相互兼容的，它与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与 这些系统接口要容易得多。 ( 2 ) 编程方便d s p 应用系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开 发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。 ( 3 ) 稳定性好。d s p 应用系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪 声的影响较小、可靠性高。 ( 4 ) 精度高。1 6 位数字系统可以达到级的精度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 5 ) 可重复性好模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较 大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 ( 6 ) 集成方便。d s p 应用系统中的数字部件有高度的规范性，便于大 规模集成。 当然，数字信号处理也存在一些缺点。例如，d s p 系统中的高速时钟可 能带来高频干扰和电磁泄露等问题，而且d s p 系统消耗的功率也较大。但是， 随着近两年d s p 技术突飞猛进的发展，成本的下降，很多问题都绲到了缓解。 虽然d s p 应用系统存在着上述这些缺点，但其突出的优点已经使它在通 信、语音、图像、雷达、仪器仪表等领域得到越来越多的应用。 一般来说，d s p 的设计过程应遵循一定的设计流程，如图2 8 所示： 图2 - 8d s p 系统的设计流程 2 2 4d s p 芯片的发展趋势 未来的l o 年，全球d s p 产品将向高性能、低功耗、加强融合和拓展多 种应用的趋势发展，d s p 芯片将越来越多地渗透到各种电子产品中，成为各 种电子产品尤其是通信类电子产品的技术核心手机、p d a 、1 4 p 3 播放器及 手提电脑等则是设备个性化的典型代表。这些设备的发展水平取决于d s p 的发展。在新的形势下，d s p 面临的要求是处理速度更高、性能更多更加全 面，功耗更低，存储器用量更少。所以，d s p 技术将会有以下一些发展趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( i ) d s p 的内核结构将迸一步改善 多通道结构和单指令多重数据( s i m d ) 、特大指令组( v l i m ) 将在新的 高性能处理器中占主导地位。 ( 2 ) d s p 和微处理器的融合 低成本的微处理器( m c u ) 是一种执行智能定向控制任务的通用处理器， 它能很好地执行智能控制任务，但是对数字信号的处理能力很差。而d s p 的功能正好与之相反。因此把o s p 和微处理器结合起来，用单一芯片的处理 器实现这两种功能，将加速个人通信机( p c b ) ，智能电话、无线网络产品的 开发，同时简化设计，减小p c b 体积，降低功耗和整个系统的成本。 ( 3 ) d s p 和s 0 c 的融合 s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 是指把一个系统集成在一个芯片上。这个系统 包括d s p 和系统接口软件等。因此，s o c 芯片近几年销售很好，由1 9 9 8 年 的1 6 亿片猛增至1 9 9 9 年的3 4 5 亿。今后几年，s o c 将以每年3 1 的平均 速度增长，毋容置疑，s o c 将成为市场中越来越耀眼的明星。 ( 4 ) d s p 和f p g a 的融合 f p g a 是现场可编程门阵列器件它和i ) s p 集成在一块芯片上，可实现 宽带信号处理，大大提高信号处理速度。据报道，x i l i n x 公司的v i r t e x i if p g a 对快速傅里叶变换( f f t ) 的处理可提高3 0 倍以上。因此，在无线 通信、多媒体等领域有广泛应用 ( 5 ) 实时操作系统r t o s 与d s p 的结合 随着d s p 处理能力的增强，芯片结构越来越复杂，甚至有些芯片在其片 内集成了多个芯核，如何充分使用期间的资源，使其物尽其用已成为d s p 开发中的重点和难点之一。另外，d s p 系统越来越复杂，使得软件的规模越 来越大，往往需要运行多个任务，各任务问的通信、同步等问题就变得非常 突出。随着d s p 性能和功能的日益强大，对d s p 应用提供r t o s 的支持已成 为必然的结果。 ( 6 ) d s p 的秉性处理结构 为了提高d s p 芯片的运行速度，各d s p 厂商纷纷在d s p 芯片中引入并行 机制，主要分为片内并行和片间并行。 ( 7 ) 功耗越来越低 额一代消费性商品和宽带通信是d s p 技术的最重要的应用市场，如移动 电话等，都是采用电池供电，并需要有尽可能长的使用时间d s p 芯片是这 些产品的核心器件，降低它的功耗可以延长电池的寿命，增加产品的使用时 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 间，减轻电池的重量。随着超大规模集成电路技术和先进的电源管理设计技 术的发展，d s p 芯片内核的电源电压将会越来越低，除了内核单元外，周边 装置、存储器的功耗也在不断的下降。 进入2 l 世纪，人类的生活已迈入数字化时代，i ) s p 技术的应用将日益 多样化，应用的多样性使得d s p 的开发用户对d s p 器件提出了不同的要求， d s p 器件将不再是一块独立的芯片，将会演变成构件的内核。设计师选择合 适的内核，再配上专用的逻辑和存储器形成专用的d s p 方案，以满足应用的 需要。 2 2 5c c s 开发环境 c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 是t i 公司推出的用于开发d s p 芯片的集 成开发环境，它采用w i n d o w s 风格界面，集编辑、编译、链接、软件仿真、 硬件调试以及实时跟踪等功能于一体，极大地方便了d s p 芯片的开发与设 计，是目前使用最为广泛的d s p 开发环境之一。 c c s 有两种工作模式，即软件仿真器和硬件在线编程。软件仿真器工作 模式可以脱离d s p 芯片，在p c 机上模拟d s p 的指令集和工作机制，主要用 于前期算法的实现和调试。硬件在线编程可以实时运行在d s p 芯片上，与 硬件开发板相结合进行在线编程和调试应用程序 c c s 的主要组件如图2 - 9 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 图2 - 9c c s 的主要组件 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 第3 章系统的硬件设计 d s p 音频处理器的设计和调试是本研究工作的主要部分，它直接面向具 体应用，将音频信号处理的理论和具体的系统应用实现相结合，实现了系统 的功能。在系统硬件设计中主要考虑了系统的实现功能要求，其次考虑了 d s p 芯片的接口、数据采集和系统独立运行等要求；同时在系统电路板设计 中考虑了必要的措施，避免高频、高速信号下之间的相互干扰、信号传输的 时延问题，这是高速电路板设计所必须考虑的问题。高速电路板的实际调试 也是一项重要的工作。 3 1 系统总体设计 3 1 1 音频处理系统的功能和构成 本论文的d s p 音颓处理系统的主要功能和要求是；通过a d 器件，按 4 4 1 k l l z ，1 6 位的精度采集模拟音频信号，然后经外部接口，传输到系统的 内部存储区，进彳亍数字处理和变换，验证和实现部分音频信号处理的算法， 这些处理包括音频信号的数字滤波，快速离散傅立叶变换等实现。 系统的硬件设计主要考虑在满足系统的功能和设计要求条件下，以及芯 片的元器件市场供货情况，选择、确定系统硬件组成。音频处理系统主要由 d s p 芯片核和周围功能模块组成。d s p 芯片选用低功耗、功能强大的t m s 3 2 0 的5 0 0 0 系列，配合周围的模块，包括电源模块、扩展存储器模块、a d d a 转换模块、系统复位模块、控制逻辑模块和时钟电路等，实现了一个d s p 音频信号处理的硬件最小系统。 3 1 2 系统原理 系统的组成原理框图如图3 - 1 所示。音频信号经过声音传感器( 即麦克 风或线性输入) 变换进入a d 转换器，串行a d 将模拟信号保持、采样、量 化后，由d s p 的多通道串口m c b s p 将数据传输到d s p 内部处理。d s p 芯 片在完成数据处理功能的同时，还负责对a d 的初始化，对电源和复位模块 协调等任务。电源模块提供处理系统所需的两种电压：3 3 v 、1 8 v ，同时保 证提供足够的负载电流。时钟电路提供系统所需要的两种基准时钟，d s f 芯片内部的p l l 锁相环电路，倍频此时钟信号以产生系统工作时所需的高 频时钟。扩展的f l a s h 芯片在系统中作为数据区使用，保存程序代码。f l a s h 的掉电保护作用，保证系统代码的完整性和安全性，同时f l a s h 芯片还可在 线进行擦除、写入操作，使得系统更易于软件编程和灵活可以快速读取的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 s r a m 芯片作为程序空间使用，在程序启动阶段，f l a s h 芯片内部的程序 源代码和固定数据，被系统启动程序b o o t l o a d e r 搬移到外部程序区( 即s 洲1 内，高速运行监控电路的主要功能是监控程序的正常运行，在程序失控跑 飞的情况下，它可以使得系统总复位，恢复正常运行。系统的所有控制逻