（信号与信息处理专业论文）基于dsps的音频信号延时器.pdf

山东大学焉士学位论文 摘要 音频信号延时器用于广播电台直播节目，它将音频信号延时后播 出，以对那些难以接受的语言和原始噪音进行拦截和删除，从而实现直 播节目的安全播出。直播节目的不断发展对延时时间的可选性和系统的 性能价格比等方面提出了更高的要求。针对这一现状，本文介绍了一种 以数字信号处理器( d s p s ) 为核心的数字式音频信号延时器。 本文阐述了音频信号延时系统的总体构想，分析了广播级音频信号 的特点以及语音压缩的优缺点，给出了实现系统的总体设计方案。对系 统各部分功能的实现方法作了较为详细的介绍，并着重讨论了d s p s 的特 点、功能以及接口处理、模数l a d ) 和数模( d a ) 转换器的基本原理 以及音频编码解码器( a d a ) 的功能特点和接口设计等问题。 ， 根据设计要求，本系统采用数字信号处理器作为主控单元，单片机 作为整个系统的人机接口，外围电路包括音频编码解码器，电源监控电 路以及各种滤波电路等。外界通过单片机与数字信号处理器之间的串口 通信实现对系统的操作，各种功能的实现则通过数字信号处理器的处理 和控制完成。考虑到语音压缩的失真性，设计采用无压缩的音频延时以 确保音频质量，选用外扩能力极强的t m s 3 2 0 c 3 2 数字信号处理器扩展大 容量的静态存储器以实现较长的延时( 比如1 2 秒) 目的。对于音频信号 的数模转换和模数转换，设计选用t l c 3 2 0 a d 7 5 音频编码解码器，实现语 音信号的前级滤波、采样量化、数据恢复以及重构滤波等功能 t m s 3 2 0 c 3 x 系列独有的循环寻址功能，使得音频数据的存储和延时更为 l 山东大学焉士学位论文 方便，通过计算存储容量，确定循环寻址的起始地址，延时时间的选择 变得更为容易。 另外，在设计中还根据系统电路实际情况，选用了电平转换器、差 分模拟缓冲放大器等特殊功能芯片。对于单片机的功能及其与d s p s 的接 口等方面，也进行了较为深入的研究。在初步的延时程序调试中，对出 现的问题进行了仔细的分析和解决。实验证明，所采用的循环寻址方法 较好的完成了预定的任务，并极大地减少了运算量。 其中创新性的工作有：提出了一种不通过压缩音频数据而实现较长 延时的数字式音频延时器方案；用外扩能力强的d s p 芯片和单片机的串 口通信实现系统功能：应用循环寻址方法进行延时处理。 由于水平和时间有限，本课题中仍存在诸多不足，如对于语音压缩 方面，一些理论水平较高的编码方法如码激励线性预测编码( c e l p c ) 仅 做了理论探讨；语音压缩与音频处理专用数字信号处理器相结合等方案 未被有效的采用；d s p s 应用于音频数据处理是一个比较新的方向，还有 许多问题有待深入研究，这些都需要在今后的工作和学习中进一步完 善。 关键词：数字信号处理音菝码解码音颤处理置时嚣 u 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u d i ot i m ed e l a y e rc a nb eu s e dt ob r o a d c a s tt h el i v es h o w ，i td e l a y s t h ea u d i os i g n a lt oi n t e r c e p to rd e l e t et h eu n a c c e p t a b l ew o r d sa n do r i g i n a l n o i s e ，s ow ec a na c h i e v es a f e - b r o a d c a s t i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h el i v e s h o wr a i s e sg r e a t e rr e q u i r e m e n tf o rd e l a y e d - t i m eo p t i o na n d p e r f o r m a n c e - - p r i c er a t i o a sf o rt h i sc o n d i t i o n ，t h et h e s i si n t r o d u c e sad i g i t a la u d i ot i m e d e l a y e rb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p s ) t h et h e s i se l a b o r a t e st h et o t a lt h o u g h to ft h ea u d i ot i m ed e l a ys y s t e m ， a n da n a l y z e st h ef e a t u r eo fa u d i os i g n a l ，a n dd i s c u s s e st h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo fa u d i oc o m p r e s s i o n ，t h e ng i v e st h et o t a ld e s i g np r o j e c tt o r e a l i z et h es y s t e m i td e s c r i b e st h em e t h o dt or e a l i z ee a c hf u n c t i o no ft h e s y s t e mi nd e t a i l ，a n dp u t sg r e a te m p h a s i so nd i s c u s s i n gt h ep e r f o r m a n c e a n di n t e r f a c eo fd s p s i ta l s od i s c u s s e st h ef u n c t i o na n di n t e r f a c eo f a u d i o c o d e ca n dt h ep r i n c i p l eo f a d ，d a a c c o r d i n g t ot h er e q u e s to f d e s i g n ，t h ed e l a y e ru s e st h ed s p sa st h e m a i nc o n t r o lu n i t ，u s e st h es i n g l e c h i pa sm m l ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) i t a l s oh a ss o m ep e r i p h e r a le q u i p m e n ts u c ha sc o d e c ，p o w e rs u p e r v i s o r y c i r c u i ta n do t h e rf i l t e r c i r c u i t s p e o p l em a n i p u l a t et h es y s t e mb yt h e c o m m u n i c a t i o no fs e r i a l p o r t sb e t w e e ns i n g l e e h i p a n dd s p s ，a n dt h e d e l a y e ra c c o m p l i s hi t s f u n c t i o n su n d e rt h ec o n t r o lo fd s p s c o n s i d e r i n g t h ed i s t o r t i o no fa u d i oc o m p r e s s i o n ，t h e d e s i g na d o p t st m s 3 2 0 c 3 2a s d s p sw h i c hh a sac o n f i g u r a b l ee n h a n c e de x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c ea n da h i g h - c a p a c i t ym e m o r yt oa c h i e v eal o n g e rt i m ed e l a y ( s u c ha s1 2 s ) f o r c o n v e r t i n g b e t w e e nd i g i t a la u d i oa n d a n a l o ga u d i o ，t h ed e s i g na d o p t s i i i 山东大学硕士学位论文 t l c 3 2 0 a d 7 5a sa u d i o c o d e ct o a c h i e v es u c hf u n c t i o n sa sf o r e f i l t e r ， s a m p l i n g a n d q u a n t i f i c a t i o n ，r e s t o r a t i o n a n d d e e m p h a s i s f i l t e r t m s 3 2 0 c 3 xh a sas p e c i a lc i r c u l a ra d d r e s s i n gf u n c t i o n ，w h i c hm a k e s t h e s t o r a g e a n dd e l a yo fa u d i od a t ae a s i e r w ec a ns e l e c td e l a y e d t i m eb y c a l c u l a t i n g t h e m e m o r yc a p a c i t y a n d s p e c i f y i n g t h es t a r ta d d r e s so f c i r c u l a ra d d r e s s i n g a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c eo fs y s t e mi nt h ed e s i g n ，s o m e c h i p sw i t hs p e c i a l f u n c t i o nw e r es e l e c t e d ，s u c ha s v o l t a g ec h a n g e ra n d a m p l i f i e r ，e t c t h ea u t h o ra l s or e s e a r c h e st h es i n g l e c h i pa n di t s i n t e r f a c e t od s p sd e e p l y e x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h em e t h o do fc i r c u l a ra d d r e s s i n g c o m p l e t e d t h ep r e a r r a n g e dt a s k s u n a v o i d a b l es o m ed e f i c i e n c i e sh a v em u s ti n d w e l ti nt h es u b j e c t ，d u e t ob e i n gs h o r to ft h ek n o w l e d g ei nt h ea u d i op r o c e s s i n g a l lt h e s en e e dt o b ed o n el a t e r k e y w o r d s ：d s pa u d i o - e o d e ea u d i o p r o c e s s i n gd e l a y e r i v 山东大学硕士学位论文 一、引言m 8 1 1 1 关于音频信号延时器的研究现状 我国的电台播出中，听众热线节目一赢深受听众的热爱，在电台的全 部播出中占有重要的份量。但是，由于听众的素质良莠不齐，难免会出现 猥语和别的一些不恰当的语言，听众热线节目又一直是直播形式，电台本 身无法做出适当的反应，这样极易对当地和电台造成较坏的影响。为了解 决这个问题，有必要对某些直播节目作延时后播出，当节目内容不宜播出 时，电台就有了做出处理的时间。 延时播出已有全硬件的解决方案，硬件延时器能够达到延时播出的目 的，但有其缺点：如延时量不可调或延时量调节范围较小：由于全硬件实 现，声音通过延时器后难免有音质损失；功能单一，一套硬件只是实现延 时目的。 作为广播级设备，音频延时器对动态范围、失真、信噪比和频率响应 等性能指标要求很高，因此，一般采用数字技术。早期的数字式延时器采 用计算机内置全双工声卡和硬盘，可以以软件方式实现音频信号延时，但 使用操作不方便，可靠性较差，性价比较低。随着直播节目的增多以及直 播质量的提高，音频延时器的采样率和分辨率也有- i t f l i l 大程度的提高，由 原来的4 4 1 k h z 和1 6 位提高到4 8 k h z 和2 4 位。而且随着直播节目的多 样化的出现，延时时问不再单一，从几毫秒到几秒的调节范围扩大，这就 对延时器的功能提出了更多的要求。 在国内，利用数字信号处理器来实现延时的方法已经在江苏苏州大学 的研究下有了成功的进展。中国科技大学、华南师范大学、电子科技大学 山东大学硕士学位论文 等单位也分别对可调音频延时器和音频补乐系统等方面进行了较为深入的 研究。 1 2基于d s p s 的音频信号延时器简介 语音信号延时技术是语音信号处理中的项关键技术。目前，在高质 量的语音信号处理系统中，国际上较多采用专用大规模集成电路来实现信 号延时。语音存储是语音延时的关键，利用多个存储器交替作读写操作来 实现延时的方法被广泛的采用，但缺点是延时时间的增加势必增加存储器 的个数，这就造成了硬件电路布局和抗干扰考虑等问题。 随着数字电路技术的不断发展，数字信号处理技术已应用到了更广泛 的领域中，同时也随着电路成本的不断降低，数字信号处理器不仅仅用于 信号的采集、分析处理等方面，而逐渐进入到日常的家用系统中。t i 公 司推出的d s p 3 0 0 0 5 0 0 0 6 0 0 0 系列数字信号处理器，是音频处理专用芯 片，适用于各种数字音频系统，利用它们可以开发出多种数字音频信号处 理系统，语音处理系统，汽车音响系统的声场处理器等等。 本文介绍的数字式音频信号延时系统依据该项研究的前期成果，提出 了一种d s p s 与单片机结合，并扩展大容量存储器的实现方法。该系统利 用了d s p s 的高效运算能力和强大的扩展能力，以及音频编码解码器的采 样量化、数据恢复、滤波各种功能集一体的特点，实现了信号的延时、静 音、回放等功能。 2 山东大学硕士学位论文 音频信号及音频压缩n 0 。2 们 2 1 音频信号的特点 声音是信息传输中极为重要的媒体。对声音信号的分析表明，声音信 号有许多频率不同的信号组成，这类信号成为复合信号，而单一频率的信 号称为分量信号。声音信号的一个重要参数就是带宽，它用来描述组成复 合信号的频率范围。如高保真音响信号的频率范围是l o h z - 2 0 0 0 0 h z ，它 的带宽约为2 0 k h z 。 声音信号的两个基本参数是频率和幅度。信号的频率是指信号每秒钟 变化的次数，单位是h z 。人们把频率小于2 0 h z 的信号称为亚音信号 ( s u b s o n i c ) ；频率范围在2 0 h z - 2 0 k h z 的信号称为音频信号 ( a u d i o ) ；频率范围在3 0 0 3 0 0 0 h z 的信号称为语音信号( s p e e c h ) 。 高于2 0 k h z 的信号称为超音频信号。 音频信号与语音信号除了在频率范围上有所不同外另一个区别是： 语音由一个高效的人声产生模型，对音频信号而言，由于音源的性质不确 定，类似的模型是不存在的：而音频信号有三个特点：1 、音频信号是时 间的连续媒体，时序性要求很高，如果在时间上有2 5 m s 的延时，人就会 感到声音有断续。2 、人接收声音有两个通道，对音频信号处理是响应的 也要有两个通道。3 、音频信号不仅仅是声音的载体，同时还携带了情感 的意向。 因此音频处理的基本要求是高的采样率，好的时间频谱分辨率，大 的动态范围和高质量的期望 山东大学硕士学位论文 2 2音频压缩的特点及趋势 2 2 1 音频压缩技术的发展及其研究现状 数字音频编码始于7 0 年代初，开始主要采用的是类似p c m 一类的瞬 时压扩和块压扩技术。这种编码技术允许较大的动态范围，但由于没有利 用采样点间的统计相关性和人耳听觉特性，它的编码效率较低。 8 0 年代，数字信号处理技术的发展，人们对压缩比较高、算法较复 杂音频编码技术的探索取得了重大成果，开发了子带编码和自适应变换编 码。这类编码技术将信号频谱分割成若干个子带，对各个子带分别进行量 化编码，这样量化噪声就只局限于相关的特定子带内。对各个子带的比特 流分配根据它们对主观听觉的贡献大小来进行。与预测编码技术相比，这 类编码技术在对噪声的变形处理和抑制上采取了更为直接有效的措旅，能 取得更佳的编码效果。 8 0 年代末至9 0 年代初是音频编码技术发展的高峰时期，一些新的压 缩算法在这一时期涌现出来，如欧洲数字音频广播开发的m u s i c a m ( 掩蔽 型通用子带综合编码和复用系统) 、a s p e c ( 自适应频谱感知熵编码) 、 s b a d p c i ( 子带自适应音频脉冲编码) 和低频预测型子带编码等。这些编 码算法普遍采用了一种当今最受瞩目的高效率编码技术，即利用人耳的掩 蔽效应和临界频带等特性来进行予带编码和变换编码。 近几年，随着网络技术以及多媒体技术的发展，一种称为i n t e r n e t a u d i o 的概念应运而生，其核心内容是利用i n t e r n e t 实现高质量音频资 源的共享以及音频的网上实时广播。对于现在广泛采用的宽带音频编码方 式m p e gi i ，a c - 3 等，目前的i i q t e r n e t 网络还无法承担其较大的数据量 以及相对较高的实时传输速度，这就要求人们寻找更有效的压缩方法。随 着小波技术的发展，小波变换越来越多的应用于音频编解码算法中，将小 4 山东大学硕士学位论文 波变换与零树编码相结合，以进一步降低音频码流的数据量和传输码率， 为i n t e r n e ra u d i o 的实现提供了一条途径。 2 2 2 几种音频压缩算法的简介 音频压缩算法有多种，其中包括波形编码、参数编码和混合编码波 形编码又分为全频带编码、子带编码、矢量量化三种。如脉冲编码调制 p c m 、自适应差分a d p c m 属于全频带编码；自适应变换编码a t c 属于子带 编码；线形预测l p c 属于参数编码；矢量和激励线性预测v s e l p c 属于混 合编码。 波形编码利用抽样和量化过程来表示音频信号的波形，使编码后的音 频信号与原始信号尽可能相似。参数编码又称为模型编码，它把音频信号 表示为某种模型，首先利用特征提取的方法抽取模型参致和激励信号的信 息，然后对这些信息进行编码。参数编码便于在较高码事的条件下，获得 高质量的音频信号，适用于高保真音乐和语音信号线性预测l p c 是一种 典型的参数编码方法，压缩比大，但由于它的计算量，保真度不高，故主 要适用于语音信号。混合编码介于波形编码和参数编码之间，集中了这两 种编码方法的优点。下面列出了几种音频压缩算法。 1 ) a d p c m 算法 a d p c m 为自适应差分脉冲调制，利用了语音信号样点间的相关性，并 针对语音信号的非平稳特点，使用了自适应预测和自适应量化。该算法可 以获得高质量的语音，但数据率不易降低，而且对音频信号的压缩和再生 质量较低。 2 )m u s i c a m 算法 m u s i c a m 是掩蔽型通用子带综合编码和复用系统，基于对子带样点进 行动态量化的子带编码，目的在于去掉信号中不能被人耳感觉的所有频谱 山东大学硕士学位论文 分量，以此来达到降低码率又保持高音质的目的，该算法的压缩率可高达 l ：1 1 。编码以帧为单位进行，通常以1 1 5 2 个采样值为一帧。 3 ) 小波算法 随着小波技术的发展，小波算法越来越多的应用于语音压缩中，通常 做法是采用小波变换代替短时傅立叶变换，由小波变换的一种特殊形式小 波包分解与人耳心理声学模型相结合，以感知编码各子带的感知阈为基准 进行音频信号分析的“最佳基”选择，从而构成完全重构滤波器组，实现 输入信号的小波包变换；并运用零树编码对小波系数进行比特分配，在不 断逼近人耳声学模型的同时，减低音频信号的冗余度，进而实现降低码率 的目的。 2 2 3 压缩算法对各种信号的影响考虑 通过研究各种资料得出，对语音信号和音频信号进行压缩可以达到不 同的目的，但是最主要的有两点：压缩比和语音质量。一般来讲，压缩比 较低，可以获得较好的语音质量，同时对带宽有一定的要求，基本上针对 于语音信号：压缩比较高的算法，语音质量有一定的牺牲，失真度较高， 但是对带宽的限制不高，实时性较差，因为算法越复杂，所占用的处理时 间就越多。压缩比高的算法主要应用于c d 等。下面以小波变换算法为 饲，通过波形说明了原始的信号与压缩之后信号的区别 6 山东大学硕士学位论文 o r i o i n s is i g n a l c o m p r e s s e ds i g n a l 图2 - l 原始信号与压缩后信号的波形比较 从图2 1 可以看出，( 1 ) 原始信号与压缩后信号相比，压缩后的信 号丢失了很多高频成分。如果原始信号中有瞬变信号产生时，通过压缩之 后，这些成分就容易丢失。( 2 ) 对于时变性和实时性很强的音频信号而 言，运算时间是非常重要的因素。在算法实现过程中，编解码算法越复 杂，运算时间越长，入耳就会感觉到时延，就不会收到较好的直播效果。 山东大学硕士学位论文 三、音频延时器总体方案卜3 0 1 3 1 系统的设计要求和参数 系统的设计要求指标为： 1 立体声输入输出( 0 1 秒) ，两路单声道分别处理 2 抽样特性：分辨率至少为1 6 位，采样率为4 4 i k h z 的抽样频率 3 延时选择：4 秒、6 秒、8 秒、1 0 秒、1 2 秒 4 带宽：2 0 h z 2 0 k h z 5 功能选择：延时、回放、删除、静音等 3 2 音频处理的基本框图 音频信号处理过程包括以下几部分，如图3 - 1 表明： 图3 - 1 音频处理基本框图 3 3 音频处理的工作原理 音频信号处理，是指对音频信号利用数字信号处理技术对其进行处 理，在进行数字处理前后! 需要对音频原始信号、中间信号、恢复信号等 进行一些必要的附加处理，基本上包括下面几个部分： 山东大学硕士学位论文 1 ) 抗混叠滤波 所谓混叠，是指几种信号的频谱在某一时刻的混合叠加。干扰信号与 有用信号混叠对有用信号起破坏作用，因此需要对输入的语音信号进行抗 混叠滤波，这是为保留有用的信号频谱去除不需要的干扰信号频谱的有效 措施，它可以去除由各种原因混入的直流、电源频率( 5 0 h z 、6 0 h z ) 及 噪声干扰等，一般用带通滤波器或低通滤波器完成。 2 ) 数据采集即a d 转换 利用数字技术对音频信号进行处理，需要首先把音频模拟信号变成数 字信号，即变换成时间和幅度都离散的信号，才可以被d s p s 进行处理和 使用。它包括采样和量化两个过程。分辨率和采样频率是非常重要的特 性，是系统设计的着重考虑因素。 3 ) 处理和控制 d s p s 要对数字信号进行处理和控制，在该系统中d s p s 的主要任务 是对音频数据进行存储，而各种功能的实现也需要依靠d s p s 的控制完 成。 4 ) 数据恢复即d a 转换 数字信号处理器对数字信号处理之后，需要通过数模转换( d a ) 将 处理结果变为对应的模拟信号，回送给模拟系统，以实现对模拟系统工作 状态的控制。转换精度和转换速度是选择数模转换器的主要参考因素。 5 ) 重构滤波 信号被采样后，频谱就会延拓，如果信号的频谱较宽，对信号进行采 样后，频谱就可能重叠，就不可能正确恢复原信号的频谱。另外，d a c 都含有单级或双级数据缓冲器，所以数据在任何时候都能够装入d a c ， 同时也减少了不必要的d a c 输出干扰。因此需要经过重构滤波对d a c 的输出进行边缘提取和滤除干扰成分，以便不失真的恢复原信号。重构滤 波器一般具有如下特性：消除混迭成分；失真函数精确或者逼近纯延时而 山东大学硕士学位论文 且是线性相位。 3 4 存储容量的计算 存储器容量，即所需的存储单元的个数，通过下面的公式进行计算： 存储容量= 墨壁主三坌塑毒矗摹蒿塑塑 根据系统要求，采用较低的采样率4 4 1 k h z 和分辨率1 6 位，假定存 储单元为3 2 位，因此双通道延时1 2 秒时，所需要的存储单元的个数为： 所需存储单元个数：竺譬菩兰垒坐 j 2 1 业 = 5 2 9 2 k o 5 3 m 因此需要容量为o 5 3 m x 3 2 位的存储器。 3 5 系统方案的确定 作为广播级设备，音频延时器对动态范围、失真、信噪比和频率响应 等性能指标要求很高，通常采用数字技术进行设计：采用数字信号处理器 ( d s p s ) 作为主控单元，外围电路包括数模转换器( d a ) 、模数转换器 ( a i d ) 、电源监控电路以及各种滤波电路等。对音频信号进行抗混叠滤 波后，在d s p s 的控制下通过a ，d 进行采样转换，形成1 6 位数字信号， 而后经由d s p s 存储4 1 2 秒的音频信号以产生延时，最后通过d a 转换 器对原信号进行恢复，经由重构滤波后发送出去。 考虑到系统的实时性很强，对这种音频信号进行压缩，如果选用压缩 比大的算法，重构后失真较大，而选用压缩比较小的算法，对于存储容量 的节省没有很大的意义，因此设计中采用无压缩算法。根据构想的系统工 作原理，通过查找大量的技术资料以及芯片资料，如d s p s 、a ，d 、d a 等芯片的型号参数及应用指南，初步考虑了两种方案： 1 0 山东大学硕士学位论文 1 1 选用t m s 3 2 0 c 3 2 作为主控芯片，利用c 3 2 强大的扩展能力，外 扩大容量的存储器，对音频信号不经过压缩，直接进行处理。由于c 3 2 的i 0 口线只有两条，因此，选用单片机作为整个系统的人机接口，对 d s p s 和系统的a d 、d a 进行控制。由于c 3 2 内部没有r o m ，还需外 扩f l a s h 作为d s p s 的程序存储器。选用串口的a d 、d a 与d s p s 进 行串口通信从而达到延时的目的。 2 ) 选用t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 作为主控芯片，利用5 4 0 9 的高速和强大的音 频处理能力对信号进行处理，由于5 4 0 9 的外扩能力有限，而且i o 口较 多，因此，可以通过外扩较多的锁存器对要传输的数据进行处理而达到延 时的目的。锁存器的出现，使得5 4 0 9 可以选择并口的a d 、d a ，与 5 4 0 9 进行并口操作，从而达到更快的速度。 比较以上两种方案，考虑到系统硬件布局的考虑和抗干扰问题，并 考虑到整个系统的成本，第一个方案操作简单而且性价比较高，因此，本 系统采用t m s 3 2 0 c 3 2 作为主控芯片，与单片机进行双机通信的方案。 山东大学硕士学位论文 四、系统器件的选择口h 耵 4 1d s p s 的选择 4 1 1d s p s 芯片的基本知识 现代信号处理技术已经广泛的应用到信息处理、通讯、消费电子产品 及国防和军事领域。随着信息产业的发展和信息社会美好前景的不断展 现，现代数字信号处理技术内容和应用范围在不断扩大。自1 9 7 9 年出现 第一块d s p 芯片至今已有几代的发展。d s p 芯片是一种具有特殊结构、面 向数字信号处理的可编程微处理器。它具有高速、灵活、可靠、可编 程、低功耗和便于接口等特点。d s p 芯片通常分为通用型、专用型和阵列 处理器( 专用、半专用、特殊体系结构阵列) 。由美国t e x a s 仪器公司 ( 简称t i ) 生产的t m s 3 2 0 系列处理器是典型的通用型d s p 芯片，在全世 界得到了最为广泛的应用及肯定，在我国也得到了广泛的应用。 d s p s ( 以t m s 3 2 0 系列) 具有下列主要特点： ( 1 ) 采用改进型哈佛结构，具有独立的程序总线和数据总线，可同 时访问指令和数据空间，允许数据在程序存储器和数据存储器之间进行传 输。 ( 2 ) 高度的操作“并行性”，在一个指令周期内可完成多重操作， 一般能够完成一次乘法和一次加法。而德克萨斯仪器公司( t i ) 的 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列在每个周期内甚至可以完成8 个操作。 ( 3 ) 支持流水处理。在处理器内，对每条指令的操作可分为取指、 译码、执行等几个阶段，每个阶段称为一级流水。流水处理是指在某一时 刻同时对若干条指令进行不同阶段的处理如t i 公司的t m s 3 2 0 系列具 有四重流水线，即在理想情况下，可以同时对四条指令进行不同阶段的处 理，大大提高了程序运行的速度。 1 2 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 片内含有专门的硬件乘法器和高性能的运算器及累加器，能够 在每秒钟内处理数以千万次乃至数亿次定点或浮点运算，其处理速度比以 往最快的p c 微处理器还快数十倍；为满足数字信号处理f f t 、卷积等运 算的特殊要求，多数d s p s 的指令系统中设置有循环寻址及位倒序指令和 其它特殊指令，使得在作这些运算时寻址、排序及计算速度都大幅度提 高。如单片d s p s 作1 0 2 4 点复数f f t 所需时间已降到微秒量级。 ( 5 ) 新型d s p s 大多设置了单独的d m a 总线及其控制器，在基本不 影响d s p 处理速度的情况下，作高速的并行数据传送，其传送速率可以达 到每秒数百兆字节。 ( 6 ) 丰富的片内存储硬件和灵活的寻址方式为数据处理应用提供了 良好条件。d s p s 面向的是数据密集型应用，对数据访问的速度和灵活性 有很高的要求，同时又需要大量的数据存储空间。根据这些应用特点， d s p s 片内集成了r a m 、r o m 、f l a s h 及双口r a m 等存储空间，并通过不同 的片内总线访问这些空间，因此不存在总线竞争和速度匹配问题，大大提 高r 了数据读写访问的速度。 ( 7 ) 新型d s p s 不但具有数据处理能力，而且集成了越来越多的其它 部件，如a d 、比较器、捕捉器、p w m 、串行口及看门狗等，为将d s p s 应 用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了资源条件，并可以 组成新型的d s p 嵌入式应用系统。这种d s p 嵌入系统不仅具有其它微处理 器和单片机嵌入系统的优点，而且还具有独特的高速数字信号处理能力。 通用可编程d s p 芯片具有两种基本算术结构：定点和浮点。浮点器件 的主要优点是免去用户的定标烦恼，主要缺点是速度比定点d s p 芯片低。 定点d s p 芯片 定点d s p 芯片自1 9 8 2 年t i 推出第一个定点d s p 芯片t m $ 3 2 0 c 1 0 以 来，t i 的定点d s p 芯片已经经历了t m s 3 2 0 c l x c 2 x c 5 x 三代产品。此外 i 3 山东大学硕士学位论文 还推出了适合无线通信应用的t m s 3 2 0 c 5 4 x 、高性能低成本的t m s 3 2 0 c 2 x x 以及内含多个处理器的t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 。下面以t m s 3 2 0 c 5 4 x 举例说明。 t m s 3 2 0 c 5 4 x ，它是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点d s p 芯片， 运算速度4 0 一6 6 m i p s ，优化的c p u 结构，可以在3 3 v 或2 7 v 电压下工 作，特别适合于无线移动设备等通信系统。 定点d s p 芯片按照定点的数据格式进行工作，其数据长度通常为1 6 位2 4 位。它的特点是：体积小，成本较低，功耗小，对存储器的要求不 高。但数值表示范围较窄，编程难度大，特别是在有混合小数运算的情况 下，必须使用定点定标的方法，并要防止结果的溢出。 浮点d s p 芯片 浮点d s p 芯片的运算较为灵活，其主要优点是免去了用户的定标烦 恼，主要缺点是速度比定点d s p 芯片低。其共有特点有： 1 ) 具有强大的运算功能和高速传输数据能力，能方便的处理以运算 为主的不允许时延的实时信号； 2 ) 独具一格的逆寻址方式，能有效的完成f f t 运算； 3 ) 采用内存影射方式管理i o 口，能灵活方便的扩展外围电路； 4 ) 程序存储器和数据存储器完全分开，运算采用哈佛多总线结构， 确保了高的运算速度和系统的灵活性i 5 ) 指令处理上，采用流水线操作方法，双地址发生器、独立的乘法 器和累加器和多总线结构使d s p 能在单周期内完成乘加运算和内存读写的 并行执行。 此外，芯片还具有数据指针的逆寻址功能、指令的重叠执行、无消耗 循环控制等，这些突出性能在谱估计、数字滤波、数字压缩等应用方面得 到了充分体现。 山东大学硕士学位论文 浮点d s p 芯片按照浮点的数据格式进行工作，其数据长度通常为3 2 位4 0 位。由于浮点数的数据表示动态范围宽，运算中不必顾及小数点的 位置，因此开发较容易，更适合于大量数字信号处理运算的应用场合。但 它的硬件结构相对复杂，功耗较大，且比定点芯片的价格高的多。通常浮 点芯片使用在对数据动态范围和精度要求较高的系统中。 4 12 t m s 3 2 0 0 3 2 资源概述 t m s 3 2 0 c 3 2 是t i 公司的t m s 3 2 0 系列的d s p 的第三代产品。它在保 旺f m s 3 2 0 c 3 0 基本性能不降低的基础上做了一些简化及扩充，价格比 t m s 3 2 0 c 3 0 低的多，因而在实时数据采集与信号处理系统中得到广泛应 用。 f m $ 3 2 0 c 3 2 是一个功能强大的d s p 系统，它利用t m s 3 2 0 c 3 0 的标准 外围和存储器接口，含有t m s 3 2 0 c 3 2c p u 核心，其目标码与r m s 3 2 0 c 3 0 兼容，具有灵活的程序加载，能进行8 1 6 3 2 位程序引导，串行接口支持 8 l6 3 2 位的传输，可产生边沿中断和电平中断，可由用户编程设定中断 向量表的地址，具有空等待和低功耗两种电源管理方式。程序存储器可以 是1 6 位或3 2 位字宽，数据存储可以是8 位、1 6 位或3 2 位字宽，具有一 个双通道d m a 。图4 一l 为c 3 2 的内部结构框图。其管脚说明见附录1 。 c p u t m s 3 2 0 c 3 2 具有一个以寄存器为基础的c p u ( 中央处理单元) 结构。 c p u 有浮点整数乘法器、执行算术和逻辑操作的a l u 、3 2 位桶式移 山东大学硕士学位论文 图4 - 1t m s 3 2 0 c 3 2 结构框图 6 山东大学硕士学位论文 位器、c p u 寄存器组等部分组成。乘法器执行2 4 位整数及3 2 位浮点数的 单周期乘法，a l u 对3 2 位整数、3 2 位逻辑及4 0 位浮点数实行单周期操 作。桶式移位器可在单调周期内左移或右移高达3 2 位。c p u 寄存器组与 c p u 紧耦合，可作乘法器和a l u 操作，并可被用作通用寄存器。 t m s 3 2 0 c 3 2 有能力在单周期内完成整数或者浮点数的并行乘法和加减法。 正是这种能力使t m s 3 2 0 c 3 2 有很高的计算速度，可以达到4 0 m f l o p s lm f i ，o p s 指每秒一百万次浮点运算) 。 数据类型 t m s 3 2 0 c 3 2 支持两种整型数格式，一种是立即数操作码的16 位格 式，另外一种是3 2 位的单精度整型数格式。此外还有无符号型整数格式， 分为立即型无符号整型数操作码l6 位格式和3 2 位单精度无符号整型数格 式。在t m s 3 2 0 c 3 0 中，采用三种浮点数格式，一是1 6 位短浮点数格式， ：是单精度格式，三是带精度扩展的格式。 存储器 t m s 3 2 0 c 3 2 的总存储空间为1 6 m 3 2 位。程序、数据和i o 空间都包 含在这一1 6 m 字地址空间中，这样就使得系数、表、程序码或数据既可存 储在r a m 中，亦可存储在r o m 中，从而存储器的利用率可达到最大。很多 情况下都需要外扩存储器，c 3 2 的存储器外扩比较灵活。t m s 3 2 0 c 3 2 的寻 址空间见表4 1 。 存储器的地址编排与处理器的工作方式是微处理器方式还是微计算机 方式有关。两种方式的存储器编排是很相似的。两种工作方式下存储器地 址编排的不同主要体现在r o m 块的地址编排上。在微处理器方式下，4 k 的片内r o m 并不编排在t m s 3 2 0 c 3 0 的存储器空间中。而在微计算机方式 下，被编排在o h 到o f f f h 单元。 山东大学硕士学位论文 复位矢量、 e o h 7 f f f f f hl 一二二二二二二一一 l 外部存储器( f f t r b 0 选通) 一h 一一一一 8 0 8 0 0 0 h r ；8 0 9 7 f f h 内部寄存器( 6 k ) 8 1 0 0 0 0 h 8 2 f f f f h l 外部存储器( 瓦露面选通) ，：外部存储器( 2 2 出选通) 7 ：8 7 f e o o h 内部r a m o 块( 2 5 6 ) ， 8 7 f f f f h r a m l 块( 2 5 6 ) 8 8 0 0 0 0 h 外部存储器(i：7tp538ffffffh 选通)外部存储器选通) 9 f o f o f o f o f o f h h 外部存储器( 曩夏两选通) f f f f f f h 外部存储器( 。2 “6 l 选通) 注：表中未列出的单元均为保留单元 表4 一lt m s 3 2 0 c 3 2 的寻自i 空间 外围 t m s 3 2 0 c 3 2 的外围包括2 个定时器和1 个串行端口。定时器模块是通 用3 2 位定时器事件计数器，具有时钟和脉冲2 种发出信号的方式并具有 内部和外部时钟。利用内部时钟，定时器可以产生一信号控制a d 变换器 和d m a 控制器进行数据传输。每一个定时器有一个i 0 管脚，通过对定时 器控制寄存器位的设定，可用作定时器的输入时钟，或定时器驱动的输出 信号。该管脚还可以被配置为通用的i o 管脚。串行端口可以被配置成每 个字传输8 、1 6 、2 4 或3 2 位数据，可内部启动或外部启动定时，串行口 管脚也可被配置为通用的i o 管脚。 直接存储器访问( d m a ) 片内的直接存储器存取( d m a ) 控制器可以读或者写存储器空间中的 任意单元，而不涉及c p u 的操作。因此t m s 3 2 0 c 3 2 可以与较慢速的外部 存储器和外围接口，而不降低c p u 的总处理能力。专用的d m a 地址以及数 山东大学硕士学位论文 据总线，使c p u 与d m a 控制器间的冲突降到最低程度。一个d m a 操作， 包括送往或者来自存储器的一个块或单个字的传输。 t m s 3 2 0 c 3 2 是一个功能强大的d s p 系统，它为用户提供了一个真正的 单片处理器，这个系统的实际占用空间和价格将不断降低，从而在未来社 会发展中将起到了巨大推动作用。 4 2 a o 、d a 芯片的选择 4 2 1 m d 转换的基本知识 用数字方法处理模拟信号，首先要将模拟信号转换成数字信号，模数 转换器( a d c ) 就是完成这一工作的关键器件，它在系统中的作用是十分 重要的。a d 变换器件集模拟电路与数字电路于一体，因此在系统设计上 不能与单纯的模拟电路或数字电路相同，有它自己的特殊性。模数转换包 括三个步骤，即：采样、量化、编码。 1 采样 对模拟信号x ，( ，) ，每个时间t 抽样一次，则得到x ( n t ) ， n = l ，2 3 设t 。( ，) 为带限信号，其上限角频率为0 9 。，p ( t ) 为单位冲击函 数，采样周期为t ，则 x ( 0 = x 。( ，) p ( t ) ( 3 - 1 - 1 ) p ( ，) = d ( t n t ) ( 3 1 2 ) 令 x ( n t ) = ( ，) 8 ( t - n t ) ( 3 一j 3 ) 若定义f ) t = 9 山东大学硕士学位论文 则得到采样信号与模拟信号频谱关系为 妄y 。( ，q 一1 # f 2 、) ( 3 - l - 4 ) 从式( 3 1 4 ) 可以看出，如果甜、2 c o 。则无混叠现象，即模拟信号 的抽样频率必须大于或等于信号中最高频率的两倍，即奈奎斯特频 率。在满足此条件下，就能从x ( n t ) 中恢复出t 。) 来。 2 量化 模拟信号x ，【，) 经过理想抽样后变成离散序列x ( n t ) ，这时x ( n t ) 的精 确值可以是任意的，但a d 转换过程中表示x ( n r ) 的是有限字长的二：进制 数，量化是指用一些幅度不连续的数来逼近精确值的过程。因此，总会存 在量化误差，定点二进制数中b 位小数的最低位置是2 ，是b 位小数所 能表示的最小单位，称为量化步长，以q 表示即q