《DSP技术与应用》课程设计报告-基于DSP的数字电话系统设计.doc

DSP技术及应用课程设计报告淮阴工学院DSP技术及应用课程设计报告选题名称: 基于DSP的数字电话系统设计 系（院）: 计算机工程学院 专 业:计算机科学与技术（嵌入式系统软件设计） 班 级: 计 1073 姓 名: 学 号: 指导教师: 学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期2010年 6 月 12 日11摘要： 数字电话是最为常用的语音系统之一，数字电话不仅能够传输语音信号，还可以传输数字信号，而且可以对语音信号进行处理，使得语音传输效果更加清晰，适合各种噪声恶劣的环境以及有着特殊要求的场合。本次设计基于DSP的数字电话系统，就是在DSP周围配置音频A/D和D/A以及电话线侧信号处理芯片，实现对语音信号的采集和输出、调制和解调、处理和存储等功能。本设计语音信号的处理包括回音相消、自动增益调整(AGC)、自动功率调整(APC)、数字滤波、回音抵消等多种功能。实现语音信号和DSP所需的数字信号之间的模数和数模转换。关键词：数字电话；DSP；A/D转换；D/A转换；数字信号处理目 录1 课题综述11.1 课题来源11.2 课题意义12 系统设计12.1 框图设计13 系统硬件设计34 系统软件设计44.1 软件结构设计44.2 相关时序设计54.3 信号处理算75 系统仿真与调试85.1 硬件调试95.2 软件调试9总 结10参考文献111 课题综述1.1 课题来源DSP应用的快速发展为数字信息产品带来广阔的发展空间，并将支持通信、计算机和消费类电子产品的数字化融合。面向群体应用，DSP在媒体网关、视频监控、专业音响、数字广播、激光打印等应用中表现出色；面向个人应用，DSP在便携式数字音频和影像播放器、指纹识别和语音识别等应用中表现不俗；由于DSP系统较强的数字信号处理功能，我们设计了一款简易的数字电话系统。1.2 课题意义现在市场上高质量防干扰的电话系统尤其是面对工业现场等特殊场合的电话系统具有一定的推广价值。2 系统设计2.1 框图设计数字电话系统的硬件以TMS320C54CST和SI3016芯片为主实现。TMS320C54cst是美国TI公司最近推出的一款客户端(电话端)数字信号处理芯片，该芯片完全兼容TI公司的C54xx系列DSP。C54cst内部具有DSP芯片通用的缓冲串口、HPI接口、定时器等片内外设，还具有和客户端相关的直接访问设备(DAA)单元。DAA实际上是一个电话终端数据收发模块。该模块提供一个可编程的接口电路，该接口电路可以直接与全球的电话线连接。DAA的内部结构如图2-1所示。BDRBFSRCBCLKRXBDXCLOCKCIASI3016RESETDAARESET片外BFSRBFSXBCLKXBCLKRBDXCLOCKBDR片内SI3021 图2-1 DAA内部结构 DAA由两部分组成：一是DSP片内设备，另一个是与其匹配的片外设备。DAA的片内设备是集成在DSP内部的SI3021模块。该模块和Silicon公司的SI3021芯片的功能完全相同。DSP同SI3021模块之间通过缓冲串口2进行通信；DSP提供时钟信号到SI3021模块。为了与电话时钟兼容，该时钟信号只能是58.9824MHz或者117.9648 MHz。SI3021模块对此时钟进行分频，得到串口通信的位同步时钟和帧同步时钟，再将这些时钟信号返回到DSP。DSP为被动接收方。用户惟一可以直接控制SI3021模块的是DAA的复位信号。该信号可以随时复位SI3021模块，如图2-1中的DAARESET。DAARESET不是一个实际的引脚，而是DSP内部寄存器中的一位，只能通过软件来复位SI3021模块。 DAA的片外设备选择Silicon公司的SI3016芯片。SI3016和DSP之间只有一根信号线通过匹配阻容连接。SI3016的内部寄存器全部直接映射到DSP内部。通过对DSP内部寄存器的读写控制，DAA片内设备SI3021自动将这些寄存器的值写入SI3016或者从SI3016中读出。SI3016和电话线侧的连接如图2-2所示。 图2-2 SI3016和电话线的连接 图2-2中，右下方的RING和TIP是两根电话线，通过4个二极管组成的无级性电压变换，最后通过三极管连接到SI3016的DC1引脚，提供电源到SI3016。但待机时，为了降低整机的功耗，三极管处于截止状态，SI3016通过CIB引脚从DSP，取电，摘机时，DSP控制寄存器将SI3016的QB引脚置高，打开三极管，此时SI3016将从两根电话线上取电。这是因为，待机时需要的电压只要1V左右就可以了，而摘机后的电压需要6V左右。SI3016的RNG1和RNG2引脚用于检测振铃信号，RX和Tx引脚用于数据的收发，IGND引脚是一个虚拟的“地”，和真实的“地”使用150pF的电容隔开。3 系统硬件设计整个系统由DSP、SI3016、音频ADDA、液晶、键盘以及Flash组成，硬件结构如图3-1所示。图3-1中，DSP是核心控制单元；音频AD用于采集话筒的模拟语音信号，转变成数字语音信号；音频DA将数字语音信号转换成模拟语音信号，输出到耳机或者音箱。音频AD和DA的前端与后端都有放大和滤波电路。硬件结构如图3-1：键盘TMS320C54CST串口1液晶串口2串口3JTAGFlash音频ADSI3016音频DAHPI口电话线 话筒计算机图3-1 系统硬件结构4 系统软件设计4.1 软件结构设计 系统的软件结构如图4-1所示。软件结构中的初始化模块包括系统的初始化、键盘监控的初始化、液晶显示的初始化、通信模块的初始化。在初始化过程中，设置键盘扫描时间、采样频率、显示状态等。 监控模块随时判断各种中断是否到达。其中包括摘机中断、挂机中断、振铃中断、键盘中断、液晶显示定时中断等。监控模块程序完成查询以上工作并调用各个相应的处理子程序。监控模块显示模块键盘监控模块通信模块Flash读写模块Watchdog模块初始化模块中断服务模块 图4-1 系统软件结构系统的程序流程如图4-2所示。在整个程序中，挂机中断具有最高优先权，只要发生挂机中断，程序都将返回到监控状态。尤其是在通话过程中，随时监测挂机中断和对方状态，一旦自身挂机或者对方挂机，将马上中止通信过程。NNNN初始化摘机发摘机音读入键盘值拨号对方忙对方应答通话挂机？超时？发忙音发振铃音振铃？摘机？键盘中断？读入键盘值调用键盘处理程序显示中断？调用显示处理程序YNYNNYNYYYYNY4-2 程序流程图系统上电后，总是检测有无中断产生。中断包括摘机中断、振铃中断、键盘中断和显示定时中断。中断产生，系统将进入相应的中断处理程序。4.2 相关时序设计DSP和客户端芯片SI3016的通信是由DSP的缓冲串口2进行的。其中，DSP通过对SI3016的寄存器的读写实现数据交换和控制。图4-3是DSP从SI3016读取数据的时序，首先DSP向其缓冲串口2写数据001AAAAA xxxxxxxx ，其中001为固定的数据位，表示读操作；5个A位表示读取的地址，例如读取SI3016的第13寄存器，则5个A位值为01101；最低8个x位，表示无关位。SI3016接收到DSP的以上信息，迅速将该寄存器的数据送到DSP的缓冲串口2的接收寄存器中，并发出接收中断到DSP。注意，SI3016几乎是一收到寄存器地址，就发出该地址的数据，延迟时间可认为是0，如图4-3所示： BFSRX D15D18 BDX001AAAAA R/W BDR DDDDDDDD 图4-3 DSP读SI3016的时序图4-4是DSP向SI3016写寄存器的时序。和读SI3016的时序相同，将固定的高3位设置成000，表示写寄存器，接下来仍然是5个A位，表示写哪个寄存器；最后低8位就是写入的内容。和读一样，SI3016一接收到地址信息，马上将8位信息写入该寄存器，延迟时间几乎为0。 BFSRX D15D18 BDX001AAAAADDDDDDDD R/W BDR 图4-4 DSP写SI3016的时序4.3 信号处理算信号处理算法主要包括回音相消、自动增益控制、数字滤波等。4.3.1 回音相消回音相消处理过程如图4-5所示。回音主要是通过对不同端的信号采集，得到远端回音信号，作为回音的参考信号；而带有回音的混合信号和参考信号进行自适应减法运算，从而将回音从混合信号中去除。图中虚线框内为回音处理算法。混合音非线性处理自适应减法器含有回音信号近端回 音远端回音回音相消去除回音后信号参考信号图4-5 回音相消处理过程4.3.2 自动增益控制语音在采集和传输过程中，由于语音源的差异、信道的衰减以及噪声的干扰，使得信号的幅度相差较大，从而需要自动增益控制。模拟信号中一般很难实现自动增益，而数字电话通过对数字信号幅度的估计，调整信号增益参数，均可以保证在任何情况输出最大幅度，达到最佳的语音质量。4.3.3 数字滤波输入和输出的模拟信号都经过一个具有线性相位的FIR带通滤波器。根据语音信号的特点，滤波器的通带在300Hz3kHz，阻带衰减为-60dB。根据实际情况，滤波器的各种参数可以通过软件调整。信号中的直流分量也可以通过预估均值去除，从而进一步提高语音质量。4.3.4 滤波及D/A模块子程序设计FILTER:;滤波子程序 NOP NOP STL A,*AR ;采样数据移动到AR3辅助寄存器指向的数据单元 NOP MAR *AR3-0% ;改变AR3的指针，以使用循环寻址 MAR *AR3-0% MAR *AR3-0% MPY *AR3+0%, #B4, B ;B=B4*X(i) LD B, A MPY *AR3+0%, #B3, B ;B=B3*X(i+1) ADD B, A MPY *AR3+0%, #B2, B ;B=B2*X(i+2) ADD B, A MPY *AR3+0%, #B1, B ;B=B1*X(i+3) ADD B, A ;Y(X+3)=A MPY *AR4+0%, #A3, B ;B=Y(i )*A3 ADD B, A ;A=A+B MPY *AR4+0%, #A2, B ;B=Y(i+1)*A2 ADD B, A ;A=A+B MPY *AR4+0%, #A1, B ;B=Y(i+2)*A1 ADD B, A ;Y(X+3)=A+B SFTA A, -2, B ;滤波结束后数据存放在累加器A中 STH B, *AR4-0% ;改变AR4的指针，以使用循环寻址方式 SFTA A,4,A ;将累加器A的内容扩大16倍，用于D/A输出 STH A，DXR10 ;数据送到AD50的D/A，转换成模拟信号输出 MAR *AR4-0% ;调整滤波器的循环寻址位置，以便下一次滤波 NOP NOP RET ;滤波子程序返回5 系统仿真与调试应用系统设计完成后，就要进行硬件调试和软件调试。5.1 硬件调试硬件的调试主要是把电路各种参数调整到符合设计要求。先排除硬件故障，包括设计性错误和工艺性障碍。一般原则是先静态后动态。利用万用表或逻辑测试仪器，检查电路中的各器件以及引脚是否连接正确，是否有短路障碍。若这些都没问题，则可上电调试。5.2 软件调试调试方法:通常一个程序应至少具备四种性能：跟踪、断点、查看变量、更改数值。本实验模块分明，可按模块分别调试，通过后再整体调试，正确无误后用在系统编程器将程序固化到TMS320C5416 的FLASH ROM中，接上电源脱机运行。总结 经过了一周的时间，课程设计结束了。 首先，做课程设计真的很不容易。在这期间，我一次又一次的告诉自己，不管多难，一定要坚持，这是一个锻炼自己动手能力的好机会，一定要把握并充分利用，一周下来，流了很多汗，但得到更多的是收获的知识。不仅是巩固了先前学的数字信号处理的理论知识，而且也培养了我的动手能力，更令我的创造性思维得到拓展。希望今后类似这样课程设计、类似这样的锻炼机会能更多一些。总的来说，这次课程设计确实学到很多，而且也锻炼了我遇到问题解决问题的勇气和能力，以及遇到挫折不达目的不罢休的韧性，这在以后的工作与学习中将会非常重要。其次，真的要感谢我同组的伙伴。是他们让我真正认识的团队合作的重要性，一个项目分工合作可以大大提高开发的速度，而且对各个模块的精确性更有所保障。各个环节紧密结合才能使工作更好更快的完成。我的伙伴都很优秀