《DSP技术与应用》课程设计报告-基于DSP的数字电话系统设计5.doc

目目 录录 1 课题来源课题来源 1 1 1 选题背景 1 1 2 选题意义 1 1 3 使用 DSP 设计数字电话系统的优点 2 1 4 数字电话机发展趋势 2 2 总体设计总体设计 3 3 数字电话系统的硬件结构数字电话系统的硬件结构 3 3 1 客户端处理芯片 3 3 2TMS320C5402 的最小系统原理图 5 3 3 TMS320C5402 的 DSP 系统初始化程序 6 4 系统软件结构系统软件结构 7 4 1 流程图 7 4 2 信号处理算法 8 5 系统调试系统调试 9 5 1 系统上电前的测试 9 5 2 CCS 开发环境 9 总总 结结 11 参考文献参考文献 12 DSP 技术及应用课程设计报告 1 1 课题来源课题来源 1 1 选题背景选题背景 电话是当今通信领域中不可或缺的通讯手段 自从最开始贝尔发明的 1 1 方式电 话机 新素材的开发 交换技术的发达 传呼方式的变化和因特网电话的发展 电话 技术经历了多种技术上的更新换代 电话已经成为了现社会的生活必需品 现今市面 上的大多数电话机仍为模拟的传统电话机和无绳电话机 这种类型的电话机成本低廉 但语音效果不理想 留言系统的存储空间也有限 保密性也不好 电话技术的核心一 一语音技术同时也发生着巨大的变化 现有的大部分具有留言功能的电话机都采用磁 带录音的方法 虽然录音的时间长 但不便于查找和保存 数字电话系统可以克服磁 带录音所存在的缺点 可以快速查找 对录音信息进行编辑整理也非常方便 更为方 便的是对数字录音的信息可以转存在计算机硬盘或光盘上以便长期保存 所以数字电 话由此而发展起来 技术变化很快 但数字录音需要较大的存储空间 要实现较长时 间的录音需要的存储空间将更大 正因为如此 现在市场上推出的具有数字留言功能 的电话机的录音时间一般都较短 要实现较长时间数字录音的方法有 2 种 一是扩大存 储空间 但无限地扩大存储空间势必增加系统成本 二是采用语音压缩的方法 即首先 将输人的语音进行压缩 将第二种技术引入到实际应用比较实际 所以 现今的当务 之急是找出一个能很好的将语音进行压缩的技术方案 而此时 DSP 技术的日益发展 DSP 的应用己经深入到诸如图象处理 通信 语音识别 消费类电子 高速控制和 仪器仪表等各个方面 是电子工业领域增长最迅速的领域之一 为这种问题提供了一 个很好的解决办法 围绕着 DSP 技术进入电话领域这一实际情况 多种技术方案也开 始实施起来 本文所介绍的基于 DSP 的数字电话终端系统设计也正是在这一个技术背 景下提出来的 利用先进的 DSP 技术来实现电话通信 以此来得到高质量的语音效果 及多方面的数字功能 1 2 选题意义选题意义 数字电话系统实现后 配置音频 A D 转换和 D A 转换以及电话线侧信号处理芯 片 能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 由于系统具 有数字化 小型化和价格低的特点 不仅能实现传统模拟电话全部的功能 而且可以 应用于各种保密场合 强噪声现场通信以及各种数据业务 数字电话系统的应用非常 DSP 技术及应用课程设计报告 2 广泛 如电力 铁路 石油 企业等行业的指挥调度部门 机场 港口 公安 安全 军事等要害部门的录音和监听 金融行业授权指令的实时录音 无线寻呼台 电信局 服务行业的服务 售票窗口 应急电话受理的录音和监听 的数字电话终端系统设计 与开发并且还应用在各种客户服务中心 投诉中心等 为了解及时查询和发现事故原 因以及提供准确可靠的原始录音记录 发挥了巨大作用 所有这些都能带来巨大的经 济效益 1 3 使用使用 DSP 设计数字电话系统的优点设计数字电话系统的优点 使用 DSP 芯片为核心构造数字留言电话 使用通用 DSP 设计系统与传统的专用 语音芯片进行设计相比较 具有如下优点 首先 使用 DSP 芯片构建硬件平台 可通 过升级语音编码软件的方法实现数字留言电话系统的升级 对系统的快速更新发展有 利 而如果使用专用语音编码芯片构造系统 则系统更新必须对硬件重新进行研究开 发 如果可以在不改变硬件平台基础上升级系统 对用户的吸引力大 其次 使用 DSP 芯片 可以实现多功能的单片集成 并且系统硬件组成较紧凑 如果使用语音编 码芯片 还必须加人单片机等控制芯片 如果要进一步实现加密等其他功能 必须使 用相应的硬件 第三 无论使用 DSP 芯片或语音编码芯片 系统的成本瓶颈在大容量 FlashMemory 如果使用近期国际上开发的高级语音编码芯片 其编码音质等指标较好 其价格将较高 从而使得系统的性能价格比大打折扣 1 4 数字电话机发展趋势数字电话机发展趋势 数字式录音电话机将取代模拟电话机 前者没有磁带录音机常见的机械故障 却 有方便的遥控 留言 转发 监听 液晶显示等实用功能 未来数字电话机发展趋势 l 数字电话机将成为市场竞争的焦点 数字电话将向多频道方向发展 2 显示主叫号码 姓名 区号的电话机将开始投放市场 它能使被叫用户时识别 的数字电话终端系统设计与开发对方 决定是否通话 3 微电脑自动传呼电话机将问世 具有录音电话功能的微电脑自动呼叫功能 4 全数字集成电话机可普及 它适用于单位内部使用 在传送话音的同时还可传 递数据信息 也可接入国际信息网络 5 可显示电话机进入办公室 它是一种集声音 通信 传真 书写及电子信箱为 一体的新一代电话机 DSP 技术及应用课程设计报告 3 2 总体设计总体设计 系统的硬件设计是整个系统能够正常运行的基础 正确的硬件设计能为软件调试 提供硬件平台 没有硬件平台支撑 软件调试就无从谈起 因此来说 硬件设计是要 在软件设计之前必须完成的工作 本项目的硬件平台主体是语音采集和 DSP 系统板 然后是系统板与通用 PC 机的接口 这里是通过串口进行通信的 最后是外围电路 如 键盘和液晶显示电路 话音信号放大电路等 3 数字电话系统的硬件结构数字电话系统的硬件结构 整个系统由 DSP SI3016 音频 AD DA 液晶 键盘以及 Flash 组成 硬件结构 如图 3 所示 图 3 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 一般情况下 音频 AD 和 DA 集成到一个芯片上 本系统中使用了 TI 公司的 TLV320AIC10 硬件结构如图 3 1 图 3 1 硬件结构图 SI3016 用于收发电话线上的信号 键盘用于拨号和控制 液晶显示来电号码 拨出电 话号码以及时间等信息 Flash 保存 DSP 所需要的程序 供 DSP 上电调用 JTAG 是 DSP 的仿真接口 DSP 还提供 HPI 口 该接口可与计算机连接 可收发计算机的数据 文件 将系统的功能进一步扩展 可轻易地实现各种数据业务 3 1 客户端处理芯片客户端处理芯片 系统的客户端处理采用 TMS320C54CST 和 SI3016 芯片实现 TMS320C54CST 是美 国 TI 公司最近推出的一款客户端数字信号处理芯片 完全兼容 TI 公司的 C54 系列 键盘 TMS320C54CST 串口 1 液晶 串口 2串口 3 JTAG Flash 音频 AD SI3016 音频 DA HPI 口 电话线 DSP 技术及应用课程设计报告 4 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 3 2 所示 图 3 2 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 3 2 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 3 3 所示 BDR BFSRC BCLKRX BDX CLOCK CIA SI3016 RESET DAARESET 片外 BFSR BFSX BCLKX BCLKR BDX CLOCK BDR 片内 DSP 技术及应用课程设计报告 5 图 3 3 SI3016 和电话线侧的连接 图 3 3 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 2TMS320C5402 的最小系统原理图的最小系统原理图 TMS320C5402 最小系统与 AD50 的连接原理图 图 3 4 DSP 技术及应用课程设计报告 6 图 3 4 TMS320C5402 最小系统与 AD50 的连接 3 3 TMS320C5402 的的 DSP 系统初始化程序系统初始化程序 DSP 子系统的初始化 DSP 程序分为两个部分 一个部分是 DSP 引导加载程序 132 Bootfoader 另一个 部分是 DSPImage 程序 其中引导加载程序完成 DSP 的硬件初始化 将 DSPImage 程 序下载到片外存储器中 并跳转到 DSPImage 程序开始执行 这部分代码需要自己编 写 DSPImag 程序包含语音编解码程序 回音抑制 消抖 检测振铃音程序等等 这 部分代码为 TI 公司提供的封装好的代码 不需要自己编写 在编写引导加载程序的 时候 需要完成三个过程 l 处理器将 DSP 置于预复位状态 将 DSP 引导加载程序下载到 DSP 可以访问到 的程序空间 2 处理器控制 DSP 复位 DSP 开始执行这段程序 完成 DSP 子系统的硬件初始 化硕士学位论文 3 引导 DSPImage 程序下载到片外程序存储器 由于在 5402 中没有片内的 ROM 存储程序 所以 5472 的引导加载程序首先是由片内双访问存储器对应的高 ZK 程序空间 0 x3800 Ox3FFF 中 映射到 DSP 的程序存储空间 oxFSOOoxFFFF 初始化 DSP 的时钟倍频区 将下载状态区的内容设为 忙 API 片内双访问存储器对应的高 ZK 程序空间 0 x3800 Ox3FFF 中的内容见图 3 5 在这个过程中 主处理器必需将 DSP 技术及应用课程设计报告 7 DSP 置于预复位状态 图 3 5 片内双访问存储区的内容 4 系统软件结构系统软件结构 4 1 流程图流程图 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 系统的程序流程如图 5 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 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 下载代码 2K 16bit DSP 时钟倍频区 下载状态区 3800 3FFE 3FFF DSP 技术及应用课程设计报告 8 图 4 1 系统流程图 4 24 2 信号处理算法信号处理算法 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 1 回音相消 回音相消处理过程如图 4 2 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 图 4 2 2 自动增益控制 N N N N 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 Y N YN N Y N Y Y Y Y N Y 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 DSP 技术及应用课程设计报告 9 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 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 300Hz 3kHz 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 5 系统调试系统调试 系统功能的实现需要 CPU 与外围电路的密切配合 为保证系统按照设计意图正常 工作 必须对硬件电路板各部分进行仔细的调试 因此系统的调试在设计中占据着重 要的地位 本章将详细阐述基于 DSP 的数字电话系统设计过程中的调试情况与系统测 试及数据分析 5 1 系统上电前的测试系统上电前的测试 在系统上电前 需要对硬件电路板进行仔细的测试 看电源和地之间是否短路 芯片各引脚之间是否短路 芯片各引脚是否与焊盘连接良好 是否有焊接错误 主要 是采用两种方法 其一就是利用显微镜对电路板的焊接情况进行仔细检查 看是否有 短路 焊接是否可靠 其二就是利用数字万用表对各引脚和测试点进行检查 保证电 路上没有短路 5 2 CCS 开发环境开发环境 Tl 公司的 DSP 集成开发环境 CCS CodeComposerStUdio 是一个基于 Windows 的 DSP 开发平台 可以加速和提高程序员创建和测试实时嵌入式数字信号处理系统的 开发过程 145 CCS 具有实时 多任务 可视化的软件开发特点 己经成为 TlDSP 开 发的程序设计 制作 调试和优化的利器 硬件仿真器使用北京瑞泰科技创新有限公 司的 ICETEK 一 5100USBV2 0 仿真器结合 Tl 的 CCS CodeComposerStudio C5o00 来进 行 仿真器一端通过 USB 接口与 PC 机相连 另一端通过目标板上的 JTAG 标准测试接 口与目标板相连 1 集成可视化代码编辑界面 可直接编写 C 汇编 H 文件 CMD 文件 DSP 技术及应用课程设计报告 10 2 集成代码生成工具 包括汇编器 优化 C 编译器 链接器等 3 基本调试工具 如装入执行代码 查看寄存器 存储器 反汇编 变量窗口 等 支持 C 源代码级调试 4 断点工具 包括硬件断点 数据空间读写断点 条件断点等 5 探针工具 可用于算法仿真 6 分析工具 可用于评估代码的执行时钟数 7 数据的图形显示工具 可绘制时域 频域波形 眼图 图象等 DSP 技术及应用课程设计报告 11 总总结结 课程设计是培养我们综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践 能力的重要环节 是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程 随着科学技术发展的 日新月异 当今计算机应用在生活中可以说得是无处不在 因此作为二十一世纪的大 学来说掌握计算机开发技术是十分重要的 通过这次课题设计 首先我对 DSP 原理有了进一步的认识和了解 比如程序设计 思想 以前在读程序 看程序和编程序的时候总是走一步做一步 没有一个主体设计 思想来做指导作用 像这次数字电话系统硬件电路设计时 刚开始觉得很有意思 但 是在实际画图时却困难重重 后来我查阅收集了很多资料 最终确定了画图思想 回顾起此次课程设计 至今我们仍感慨颇多 的确 自从拿到题目到完成整个 编程 最后测试成功 从理论到实践 在几个星期的日子里 可以学到很多很多的东 西 同时不仅可以巩固了以前所学过的知识 而且学到了很多在书本上所没有学到过 的知识 通过这次课程设计使我们懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知 识是远远不够的 只有把所学的理