诚成设计-计算机毕业论文设计大全,计算机行业均可用.pdf

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目题目 基带信号处理中 DSP 技术的应用 学生姓名 学生姓名 学学号 号 专业班级专业班级 指导教师 指导教师 学学院院 2012年年5 月月 基带信号处理中 DSP 技术的应用 摘要 基带信号处理技术是通信过程中重要技术之一 传统的基带信号处理往往基于 硬件电路实现 而这种方式有系统复杂 价格高 灵活性小等缺点 如今 基于软 件实现的基带信号处理 以其低价格 高灵活性 低复杂度等优点逐渐取代了硬件 实现 而且软件实现的效率不比硬件实现的差 本文主要介绍了基带信号处理的软件实现 即DSP技术在基带信号处理中的应 用 介绍了基带信号处理算法基本概念 并对语音信号脉冲编码调制 PCM 展开 了详细的论述 构建了基于 TI 定点DSP芯片的PCM基带信号处理系统 该系统采用一块音频采 样芯片对模拟语音进行数字化 DSP对输入的 8khz 16bit的数字语音进行PCM编码 输出8bit的编码 然后通过译码还原16bit的数字语音 最后 给出了详细的硬件 和软件实现 并给出了具体的仿真结果 关键词 DSP PCM 基带信号处理 TheApplication of DSPTechnology in Baseband Signal Processing Summary The baseband signal processing technology is one of the important technologies in the communication process and traditional baseband signal processing is often hardware based circuit in this way complex systems the price is high the flexibility of a small drawback Today software based baseband signal processing with its advantages of low price high flexibility low complexity gradually replace the hardware to achieve efficient than hardware and software implementation to achieve the difference This paper describes the baseband signal processing software and DSP technology in the baseband signal processing The baseband signal processing algorithms the basic concept and the voice signal pulse code modulation PCM launched a detailed discussion Build the PCM baseband signal processing systems based on TI s fixed point DSP chip the system uses an audio sample chip digital to analog voice DSP input 8khz 16bit digital voice PCM encoder output 8bit encoding and decoding restore16bit digital voice Finally a detailed hardware and software implementations and gives the simulation results Key words DSP PCM Baseband Signal Processing 目录目录 第一章 绪论 4 1 1 选题背景和意义 4 1 2 国内外的研究现状及趋势 5 1 2 1 基带信号处理的研究现状和发展趋势 5 1 2 1 DSP 技术研究现状和发展趋势 5 1 3 研究目标和内容 6 1 3 1研究目标 6 1 3 2 研究内容 6 1 3 2 论文章节安排 7 第二章 基带信号处理技术基础 7 2 1 信号数字化理论 8 2 1 1 奈奎斯特采样定理 8 2 1 1 模拟信号数字化 8 2 2基带信号处理介绍 10 2 2 1 信源编码 10 2 2 2 信道编码 11 2 2 2 调制与解调 12 第三章 PCM 算法基本原理 13 3 1 PCM 产生与发展 13 3 2PCM 工作原理 14 3 3PCM 算法原理 15 3 3 1 PCM 均匀量化和非均匀量化 16 3 3 1 PCM 编码 18 第四章 PCM 算法 DSP 硬件设计 21 4 1TMS320C5509ADSP 芯片介绍 21 4 1 1 C55x 系列 DSP 概述 21 4 1 2 5509A 的 CPU 结构 22 4 1 35509A 的外设 23 4 2PCM 算法实现硬件构架 23 4 3PCM 算法实现硬件电路设计 25 4 3 1 DSP 芯片模块 26 4 3 2 电源和复位电路 27 4 3 3 时钟模块 28 4 3 3 JTAG 模块 29 4 3 4 音频模块模块 29 第五章 PCM 算法 DSP 软件实现 30 5 1C55x 软件开发与 CCS 开发环境 30 5 1 1 C55x 软件开发流程 30 5 1 2 CCS 集成开发环境 31 5 2定点运算原理 32 5 3PCM 算法编程实现 34 第六章 PCM 算法 DSP 仿真实验 35 6 1仿真实验程序流程 35 6 2 仿真实验结果 36 6 2 1A 律 PCM 编码 译码仿真结果 37 6 2 1 u 律 PCM 编码 译码仿真结果 38 第七章 总结和展望 40 7 1 总结 40 7 1 展望 40 参考文献 42 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 选题背景和意义选题背景和意义 随着数字信号处理 DSP 技术 超大规模集成电路 VLSI 技术和计算机技术的飞速 发展 数字无线电以及软件无线电正在以迅猛的速度发展 软件无线电 SR 的思想是将 标准化 模块化的硬件单元以总线方式连接起来构成基本硬件平台 并且通过软件加载 的方式来实现各种类型无线电通信系统的一种开放式结构 软件无线电涉及几项关键技 术 例如开放式总线结构的实现 智能宽带 多频段天线 高速模数转换 数字下变频 和高速信号处理部分 采用DSP技术完成高速信号处理是软件无线电的重要组成部分 DSP技术在各种信号处理设备中的应用必将发挥日益广泛的深刻的作用 软件无线电的概念是基于通信需求而提出来的 而且它也是未来通信乃至无线电技 术的发展方向 目前应用的各种电台基本结构相似 而信号的特征差异很大 例如工作 的频段不同 调制方式不同 波形结构不同 通信协议不同 数字信息的编码方式不同 等等 这些差异极大地限制了不同电台之间的互联互通 需要实现一种能够兼容各种通 信体制的软件无线电 但是由于器件水平的限制 完全 软件化 的无线电还不能实现 当前研究实践的热点在中频和基带上利用DSP和FPGA来实现部分的软件定义无线电 SDR 随着A D转换器及DSP 工FPGA器件的发展 数字化会发展到直接射频带通采样 或者是射频低通采样的理想结构 当前软件无线电技术在基带可以通过软件编程来适应 处理信号的不同方式 从而为它们的互联互通打下基础 基带信号处理技术是软件无线电技术的重要组成 基带信号处理的好坏往往影响着 软件无线电的通信质量 传统的MCU由于构架简单 处理速度慢 没有现成的硬件运算 单元而无法处理大规模复杂的数字信号运算 DSP芯片是专门用来处理数字信号的芯片 它采用改进的哈佛结构 内部有专门的硬件乘法单元 而且还有专用的指令系统 DSP 以其独特的优势 越来越多的被应用到基带信号处理算法的实现当中 1 21 2 国内外的研究现状及趋势国内外的研究现状及趋势 1 2 11 2 1 基带信号处理的研究现状和发展趋势基带信号处理的研究现状和发展趋势 所谓基带信号 是指信源发出的没有经过调制 进行频谱搬移和变换 的原 始电信号 例如 由信源产生的文字 语言 图像 数据等信号都是基带信号 基带信号通常都包含较低频率的分量 甚至包括直流分量 其特点是频率较低 信号频谱从零频附近开始 具有低通形式 在数字通信系统的发送端 对信源产生的信 号进行基带部分的处理一般要经过信源编码和信道编码两个步骤 信源编码的基本部分 是压缩编码 它用以减少数字信号的冗余度 提高数字信号的有效性 在某些系统中 信源编码还包含加密功能 即在压缩后还进行保密编码 常见的信源编码方式有语音编 码中的线性预测编码 码激励线性预测和脉冲编码调制 数据压缩中的霍夫曼编码 图 像编码中的MPEG编码等 信道编码的目的则是提高信号传输的可靠性 它在经过信源编 码后的信号中增加一些多余的字符 以求自动发现或者纠正传输中的错误 这样做必然 又增加了信号的冗余度 似乎抵消了信源编码的作用 但是 这里增加的字符是符合特 定规律的 它能作用于检错和纠错 常见的信道编码方式有RS编码 卷积编码 Turbo 编码 交织和伪随机序列扰码等 在数字通信系统中 通过采用多种基带信号处理技术 并结合高速处理器芯片 从而能够很好地提高通信系统的可靠性 保证通信系统的质量 随着编码技术的不断改进和更多高速处理器的推出 基带信号处理技术会不断得到提 高 通信质量也必将得到充分的保障 1 2 11 2 1 DSPDSP 技术研究现状和发展趋势技术研究现状和发展趋势 自从20世纪70年代末第一片数字信号处理器芯片问世以来 数字信号处理器就以其 特有的稳定性 可重复性 可大规模集成 特别是可编程性高和易于实现自适应处理等 特点 给数字信号处理 Digital Signal Processing 的发展带来了巨大的机遇 并使 数字信号处理手段更加灵活 功能跟复杂 其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方 面 DSP芯片问世以来 它己经带来了决定数字技术未来的突破性应用 早期的DSP只应 用于实时数据信号的处理 而现在它已应用于多种不同的领域 并取得了许多新的进展 现在DSP在网络和互联网 高速调制解调器 无线通信 语音识别 音频视频 影像产 品 机顶盒 硬件驱动器 汽车 工业控制和制造 声纳 雷达 地震监测 遥感遥测 地质勘测 航空航天 生物医学 电力系统监控 自动化仪器等领域得到了广泛的应用 以最大的DSP生产商美国德州仪器 TI 公司的产品为例 现在每10分钟就有一个高科技 用户使用Tl的DSP一次 每2个移动电话中就有一个使用TI的DSP芯片 每10个高性能硬 盘驱动器就有9个使用TI的DSP芯片 DSP已经成为促进计算机 消费类产品和通信产品 融合的粘合剂 DSP芯片的发展 已经先后经过了80年代的DSP雏形阶段和90年代的DSP 成熟阶段 到现在正处于DSP发展的完善阶段 其处理速度更快 在性能和使用方便性 提高的同时 价格也在不断下降 今后DSP的发展方向 大致有如下四点 1 微控制器与DSP结合 2 应用实时操作系统 RTOS 3 并行处理结构 4 低功耗 21世纪是数字化的时代 DSP的应用也将多样化 DSP器件将不再是一块独立的芯片 而是变成构件内核 开发人员选择合适的DSP内核 再配上专用逻辑和存储器 结合在 一起 就可以形成专用的DSP方案 1 31 3 研究目标和内容研究目标和内容 1 3 11 3 1研究目标研究目标 本文的研究目标可以概括为以下几点 1 阅读相关文献 掌握基带信号处理的基础知识 2 深入了解语音信号 PCM 算法的基础 掌握该算法的原理 3 掌握 DSP 软件开发流程 熟悉 C 语言编程及 DSP 中定点和浮点运算方法 并用 C 语言定点实现 PCM 算法 4 掌握 DSP PCM 算法系统的整体框架设计 1 3 21 3 2 研究内容研究内容 根据研究目标 本文的研究内容为 1 研究基带信号处理的基础知识 为研究基带信号处理中 DSP 技术的应用做准备工 作 2 研究基带信号处理中的脉冲编码调制 PCM 技术 为该算法的 DSP 实现做理论基 础 3 研究 PCM 算法的 DSP 实现 包括 C 语言如何实现算法 DSP 平台的软件开发流程 DSP 定点实现原理 4 研究基于 DSP 实现的 PCM 算法的系统构架 包括信号的采集 处理和输出的整个 流程 以及系统的框架设计 1 3 21 3 2 论文章节安排论文章节安排 1 第一章 阐述了本文的研究背景和研究意义 简单介绍了基带信号处理和 DSP 技 术的历史和发展趋势 概括了本文的研究目标和研究内容 2 第二章 介绍了基带信号处理算法基础 3 第三章 介绍了语音信号 PCM 算法的理论基础和原理 4 第四章 介绍了基于 TI DSP 实现的 PCM 算法的系统构架 包括信号采集芯片以及 所用的 DSP 芯片 以及整个硬件系统的框架设计 5 第五章 介绍了 DSP 软件开发的具体流程 以及 PCM 算法的 DSP 具体实现方法 6 第六章 给出了系统仿真的流程图 最后给出了基于 CCS 的 A 律和 u 律 PCM 算法 的实现的仿真图 7 第七章 对本次研究做了总结并对以后进一步的发展进行了展望 第二章第二章 基带信号处理技术基础基带信号处理技术基础 基带信号处理用到很多信号处理基础算法 而且 DSP 实现的基带信号处理算法都是 数字基带信号处理算法 本章主要先介绍信号的数字化理论基础 然后介绍几种比较基 本的基带信号处理算法 2 12 1 信号数字化理论信号数字化理论 2 1 12 1 1 奈奎斯特采样定理奈奎斯特采样定理 采样过程所应遵循的规律 又称取样定理 抽样定理 采样定理说明采样频率与信 号频谱之间的关系 是连续信号离散化的基本依据 采样定理是1928年由美国电信工程 师H 奈奎斯特首先提出来的 因此称为奈奎斯特采样定理 1933年由苏联工程师科捷利 尼科夫首次用公式严格地表述这一定理 因此在苏联文献中称为科捷利尼科夫采样定 理 1948年信息论的创始人C E 香农对这一定理加以明确地说明并正式作为定理引用 因此在许多文献中又称为香农采样定理 采样定理有许多表述形式 但最基本的表述方 式是时域采样定理和频域采样定理 采样定理在数字式遥测系统 时分制遥测系统 信 息处理 数字通信和采样控制理论等领域得到广泛的应用 采样定理是信号数字化传输的理论基础 它告诉我们 如果对某一带宽的有限时间 连续信号 模拟信号 进行采样 且在采样率达到一定数值时 根据这些采样值可以在接 收端准确地恢复原信号 也就是说 要传输模拟信号不一定传输模拟信号本身 只需传 输按采样定理得到的采样值就可以了 奈奎斯特采样定理 对一个频带限制在 0 f 内的时间连续信号m t 如果以0 5f的 间隔对其进行等间隔采样 则m t 将被所得到的采样数据完全确定 即采样速率大于等 于信号带宽的两倍就可保证不会产生信号的混迭 0 5f 是采样的最大间隔 也称为奈 奎斯特间隔 其意义在于时间上连续的模拟信号可以通过时间的离散的采样值来替代 这为模拟 信号的数字化处理奠定了理论基础 2 1 12 1 1 模拟信号数字化模拟信号数字化 模拟信号不仅在幅度取值上是连续的 而且在时间上也是连续的 要使模拟信号数 字化 首先要在时间进行离散化处理 即在时间上用有限个采样点代替连续无限的坐标 位置 这一过程叫采样 信号采样示意图如图2 1所示 所谓采样就是每隔一定的时间 间隔 抽取信号的一个瞬时幅度值 这就是在时间上将模拟信号离散化 采样后所得出 的一系列在时间上离散的样值称为样值序列 图2 1 信号采样示意图 采样把模拟信号变成了在时间上离散的样值序列 但每个样值的幅度仍然是一个 连续的模拟量 因此还必须对其进行离散化处理 将其转换为有限个离散值 才能最终 用数码来表示其幅值 这种对采样值进行离散化的过程叫做量化 这就是实现连续信号 幅度离散化处理 采样 量化后的信号变成了一串幅度分级的脉冲信号 这串脉冲的包络代表了模拟 信号 它本身也还不是数字信号 而是一种十进制信号 需要把它转换成数字编码脉冲 这一过程称为编码 最简单的编码方式是二进制编码 具体说来 就是用 n 比特二进制 码来表示已经量化了的样值 每个二进制数对应一个量化电平 然后把它们排列 得到 由二值脉冲组成的数字信息流 以进行传输和记录 上述数字化的过程又称为脉冲编码 调制 PCM 综上可知 模拟信号的数字化主要有三个步骤 对信号按照奈奎斯特采样定理进行 采样 按照不同的量化方式对信号进行量化 把量化后的信号进行二进制编码 基带信 号处理就是对模拟信号进行采样量化编码后的数字信号进行一系列的处理 2 22 2基带信号处理介绍基带信号处理介绍 基带信号处理主要包括信号的信源处理和信道处理以及对编码后的信号进行调制 和解调等过程 信息传输的基本模型如图 2 2 所示 图 2 2 信息传输模型 信号的信源处理主要是对信号进行信源编码 主要目的是降低信号的冗余度 从而 降低信号传输所需要的带宽 信号的信道处理主要是对信号进行信道编码 增加信号的 冗余信息 以保证信号传输过程中的质量 信道编码会增加传输信号所需要的带宽 在 实际的基带信号处理过程中 信源编码和信道编码总体是为了在通信过中 以最少的带 宽获取最高的通信质量 基带信号的调制是为了把基带信号调制为频带信号 这样可以更好的对信号进行发 送 解调是调制的反过程 主要是把频带信号转换为基带信号 然后再进行相关的解码 最后恢复原始信号 下面将介绍几种基带信号处理常见的信源编码和信道编码的算法 2 2 12 2 1 信源编码信源编码 信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率 即通常所说的数据 压缩 作用之二是将信源的模拟信号转化成数字信号 以实现模拟信号的数字化传 输 为了减少信源输出符号序列中的剩余度 提高符号的平均信息量 对所施行的 变换 具体说 就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法 把信源输 出符号序列变换为最短的码字序列 使后者的各码元所载荷的平均信息量最大 同 时又能保证无失真地恢复原来的符号序列 既然信源编码的基本目的是提高码字序列中码元的平均信息量 那么 一切旨 在减少剩余度而对信源输出符号序列所施行的变换或处理 都可以在这种意义下归 入信源编码的范畴 例如过滤 预测 域变换和数据压缩等 最原始的信源编码就是莫尔斯电码 另外还有ASCII码和电报码都是信源编码 但现代通信应用中常见的信源编码方式有 Huffman编码 算术编码 L Z编码 这 三种都是无损编码 另外还有一些有损的编码方式 比如PCM编码 信源编码的目 标就是使信源减少冗余 更加有效 经济地传输 最常见的应用形式就是压缩 另 外 在数字电视领域 信源编码包括通用的MPEG 2编码和H 264 MPEG Part10 AVC 编码等 本文基于DSP实现对语音信号的脉冲编码调制 PCM 关于PCM算法具体原理将在第 三章详细描述 2 2 22 2 2 信道编码信道编码 编码定理的证明 从离散信道发展到连续信道 从无记忆信道到有记忆信道 从单用户信道到多用户信道 从证明差错概率可接近于零到以指数规律逼近于零 正在不断完善 编码方法 在离散信道中一般用代数码形式 其类型有较大发展 各种界限也不断有人提出 但尚未达到编码定理所启示的限度 尤其是关于多用户 信道 更显得不足 在连续信道中常采用正交函数系来代表消息 这在极限情 况下可达到编码定理的限度 数字信号在传输中往往由于各种原因 使得在传送的数据流中产生误码 从 而使接收端产生图象跳跃 不连续 出现马赛克等现象 所以通过信道编码这一环 节 对数码流进行相应的处理 使系统具有一定的纠错能力和抗干扰能力 可极大 地避免码流传送中误码的发生 误码的处理技术有纠错 交织 线性内插等 提高数据传输效率 降低误码率是信道编码的任务 信道编码的本质是增加通 信的可靠性 但信道编码会使有用的信息数据传输减少 信道编码的过程是在源数 据码流中加插一些码元 从而达到在接收端进行判错和纠错的目的 这就是我们常 常说的开销 这就好象我们运送一批玻璃杯一样 为了保证运送途中不出现打烂玻 璃杯的情况 我们通常都用一些泡沫或海棉等物将玻璃杯包装起来 这种包装使玻 璃杯所占的容积变大 原来一部车能装5000各玻璃杯的 包装后就只能装4000个了 显然包装的代价使运送玻璃杯的有效个数减少了 同样 在带宽固定的信道中 总 的传送码率也是固定的 由于信道编码增加了数据量 其结果只能是以降低传送有 用信息码率为代价了 将有用比特数除以总比特数就等于编码效率了 不同的编码 方式 其编码效率有所不同 信道编码通过增加数据传输速率的代价来保证数据的传输质量 在实际通信过程中 是十分必要 通信系统的设计往往需要考虑数据传输带宽和数据传输质量的平衡 2 2 22 2 2 调制与解调调制与解调 在通讯和网络领域 带宽的含义又与上述定义存在差异 它指的是网络信号可 使用的最高频率与最低频率之差 或者说是 频带的宽度 也就是所谓的 Bandwidth 信道带宽 在 100M 以太网之类的铜介质布线系统中 双绞线的信道带宽通常用 MHz 为单 位 它指的是信噪比恒定的情况下允许的信道频率范围 不过 网络的信道带宽与 它的数据传输能力 单位 Byte s 存在一个稳定的基本关系 我们也可以用高速 公路来作比喻 在高速路上 它所能承受的最大交通流量就相当于网络的数据运输 能力 而这条高速路允许形成的宽度就相当于网络的带宽 显然 带宽越高 数据 传输可利用的资源就越多 因而能达到越高的速度 除此之外 我们还可以通过改 善信号质量和消除瓶颈效应实现更高的传输速度 信号传输方式分为基带传输和频 带传输 基带传输不需要进行调制解调而频带传输则需要先进行调制后传输 然后 在接收端解调已调信号 1 基带传输 由计算机或终端产生的数字信号 频谱都是从零开始的 这 种未经调制的信号所占用的频率范围叫基本频带 这个频带从直流起可高到数百千 赫 甚至若干兆赫 简称基带 base band 这种数字信号就称基带信号 举 个简单的例子 在有线信道中 直接用电传打字机进行通信时传输的信号就是基带 信号 而传送数据时 以原封不动的形式 把基带信号送入线路 称为基带传输 基带传输不需要调制解调器 设备费用低 适合短距离的数据输 比如一个企业 工厂 就可以采用这种方式将大量终端连接到主计算机 另外就是传输介质 局域 网中一般都采用基带同轴电缆作传输介质 2 频带传输 上面的传输方式适用于一个单位内部的局域网传输 但除了市 内的线路之外 长途线路是无法传送近似于 0 的分量的 也就是说 在计算机的远 程通信中 是不能直接传输原始的电脉冲信号的 也就是基带信号了 因此就需 要利用频带传输 就是用基带脉冲对载波波形的某些参量进行控制 使这些参量随 基带脉冲变化 这就是调制 经过调制的信号称为已调信号 已调信号通过线路传 输到接收端 然后经过相关处理恢复为原始基带脉冲 这个过程称为解调 频带传 输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点 而且能实现多 路复用的目的 从而提高了通信线路的利用率 第三章第三章 PCMPCM 算法基本原理算法基本原理 本章就PCM算法的原理展开研究 在对算法原理充分掌握的前提下 才能更好的基 于DSP平台实现算法 本章中主要介绍了PCM的基本情况和PCM算法的具体原理 3 13 1 PCMPCM 产生与发展产生与发展 在数字通信系统中 信道中传输的是二进制光脉冲 0 码和 1 码 它由二 进 制数字信号对光源进行通断调制而产生 而数字信号是对连续变化的模拟信号 进行抽样 量化和编码产生的 称为 PCM 即脉冲编码调制 这种电的数字信号称 为数字基带信号 由 PCM 电端机产生 现在的数字传输系统都是采用脉码调制体制 PCM 最初并非传输计算机数据用的 而是使交换机之间有一条中继线不是只传送一 条电话信号 PCM 有两个标准 表现形式 即 E1 和 T1 中国采用的是欧洲的 E1 标准 T1 的速率是 1 544Mbit s E1 的速率是 2 048Mbit s 脉冲编码调制可以向 用户提供多种业务 既可以提供从 2M 到 155M 速率的数字数据专线业务 也可以提 供话音 图象传送 远程教学等其他业务 特别适用于对数据传输速率要求较高 需要更高带宽的用户使用 脉冲编码调制是 70 年代末发展起来的 记录媒体之一的 CD 80 年代初由飞利 浦和索尼公司共同推出 脉码调制的音频格式也被 DVD A 所采用 它支持立体声和 5 1环绕声 1999年由 DVD 讨论会发布和推出的 脉冲编码调制的比特率 从 14 bit 发展到 16 bit 18 bit 20 bit 直到 24 bit 采样频率从 44 1kHz 发展到 192kHz PCM 脉码调制这项技术可以改善和提高的方面则越来越来小 只是简单的增加 PCM 脉码调制比特率和采样率 不能根本的改善它的根本问题 其原因是 PCM 的主要问 题在于 1 任何脉冲编码调制数字音频系统需要在其输入端设置急剧升降的滤波器 仅让 20Hz 22 05kHz 的频率通过 高端 22 05kHz 是由于 CD44 1kHz 的一半频率而 确定 2 在录音时采用多级或者串联抽选的数字滤波器 减低采样频率 在重 放时采用多级的内插的数字滤波器 提高采样频率 为了控制小信号在编码时的 失真 两者又都需要加入重复定量噪声 这样就限制了 PCM 技术在音频还原时的保 真度 为了全面改善脉冲编码调制数字音频技术 获得更好的声音质量 就需要有新 的技术来替换 飞利浦和索尼公司再次联手 共同推出一种称为直接流数字编码技 术DSD的格式 其记录媒体为超级音频CD即SACD 支持立体声和5 1环绕声 DSD是 PCM脉冲编码调制的进化版 3 23 2PCMPCM 工作原理工作原理 脉冲编码调制就是把一个时间连续 取值连续的模拟信号变换成时间离散 取 值离散的数字信号后在信道中传输 脉冲编码调制就是对模拟信号先抽样 再对样 值幅度量化 抽样 就是对模拟信号进行周期性扫描 把时间上连续的信号变成时间上离散 的信号 抽样必须遵循奈奎斯特抽样定理 该模拟信号经过抽样后还应当包含原信 号中所有信息 也就是说能无失真的恢复原模拟信号 它的抽样速率的下限是由抽 样定理确定的 抽样速率采用 8Kbit s 量化 就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散 即用一组规定的电平 把 瞬时抽样值用最接近的电平值来表示 通常是用二进制表示 量化误差 量化后的信号和抽样信号的差值 量化误差在接收端表现为噪声 称为量化噪声 量化级数越多误差越小 相应的二进制码位数越多 要求传输速 率越高 频带越宽 为使量化噪声尽可能小而所需码位数又不太多 通常采用非 均匀量化的方法进行量化 非均匀量化根据幅度的不同区间来确定量化间隔 幅 度小的区间量化间隔取得小 幅度大的区间量化间隔取得大 一个模拟信号经过 抽样量化后 得到已量化的脉冲幅度调制信号 它仅为有限个数值 编码 就是用一组二进制码组来表示每一个有固定电平的量化值 然而 实 际上量化是在编码过程中同时完成的 故编码过程也称为模 数变换 可记作 A D 话音信号先经防混叠低通滤波器 进行脉冲抽样 变成 8KHz 重复频率的抽样 信号 即离散的脉冲调幅 PAM 信号 然后将幅度连续的 PAM 信号用 四舍五入 办法量化为有限个幅度取值的信号 再经编码后转换成二进制码 对于电话 CCITT 规定抽样率为 8KHz 每抽样值编 8 位码 即共有 2 8 256 个量化值 因而每话路 PCM 编码后的标准数码率是 64kb s 为解决均匀量化时小信号量化误差大 音质差 的问题 在实际中采用不均匀选取量化间隔的非线性量化方法 即量化特性在小信 号时分层密 量化间隔小 而在大信号时分层疏 量化间隔大 在实际中使用的是两种对数形式的压缩特性 A律和U律 A律编码主要用于 30 32路一次群系统 U律编码主要用于24路一次群系统 A律PCM用于欧洲和中国 U律PCM用于北美和日本 3 33 3PCMPCM 算法原理算法原理 PCM算法原理框图如图3 1所示 图3 1 PCM原理框图 在发送端进行抽样 量化和编码 把模拟信号变换为二进制数字信号 通过数字通 信系统进行传输后 在接收端进行相反的变换 由译码器和低通滤波器完成 把数字信 号恢复为原来的模拟信号 本节主要介绍PCM算法的原理 包括信号抽样 量化和编码 三个具体过程 抽样是把时间上连续的信号变成时间上离散的信号 要求抽样信号包含原信号的所 有信息 即能无失真地恢复出原模拟信号 抽样速率的下限由抽样定理确定 量化是把 经抽样得到的瞬时值进行幅度离散 即指定Q个规定的电平 把抽样值用最接近的电平 表示 编码是用二进制码组表示有固定电平的量化值 实际上量化是在编码过程中同时 完成的 单路PCM算法采样 量化 编码波形示意图如图3 2所示 图3 2 a 抽样脉冲 b PCM抽样 c PCM量化 d PCM编码 3 3 13 3 1 PCMPCM 均匀量化和非均匀量化均匀量化和非均匀量化 1 均匀量化 均匀量化也称线性量化 是指在整个量化范围 VV 内量化间隔都相等的量化 器 只有在输入信号具有均匀分布的概率密度时 均匀量化器才是最佳的 最佳量化电 平取在各量化区间的中点 尽管通常情况下均匀量化器不是最佳量化器 但是均匀量化 器的数学分析最简单 而且对于分析设计实际的量化器有很重要的参考价值 均匀量化 示意图如图 3 3 所示 图 3 3 均匀量化示意图 其中 x t 是模拟信号 抽样速率f s 1 Ts 抽样值用 表示 第 k个抽样值为 x kT s 相邻电平间距离称为量化间隔 用 表示 量化值为下式 3 1 2 非均匀量化 非均匀量化是一种在整个动态范围内量化间隔不相等的量化 在信号幅度小时 量 化级间隔划分得小 信号幅度大时 量化级间隔也划分得大 以提高小信号的信噪比 适当减少大信号信噪比 使平均信噪比提高 从而获得较好的小信号接收效果 非均匀 量化示意图如图 3 4 所示 isq mkTx isi xkTxx 1 图 3 4 a 非均匀量化方框图 b 关系曲线 语音信号的非均匀量化中 通过数字电路形成若干段折线 近似 A 律或 律压扩特 性 从而达到压扩目的的方法 两种常用的数字压扩技术 13 折线 A 律压扩 中 欧洲 各国的 PCM 30 32 路基群中 15 折线 律压扩 美 加 日等的 PCM 24 路基群中 国 际间数字系统相互联接时 以 A 律为标准 律和 A 律归一化压缩特性表示式分别为式 3 2 和式 3 3 3 2 3 3 式中 x为归一化输入 y为归一化输出 A 为压缩系数 A 律 13 折线的量化波形图如图 3 5 所示 11 1 1 1 1 x n xn y 1 1 n11 n11 1 0 n11 x AA xA A x A Ax y 图 3 5 A 律 13 折线 3 3 13 3 1 PCMPCM 编码编码 PCM中一般采用二进制码 对于Q个量化电平 可以用k位二进制码来表示 称其中 每一种组合为一个码字 目前国际上多采用8位编码PCM设备 PCM中常用的码型有自然 二进制码 折叠二进制码和反射二进制码 又称格雷码 用于13折线A律特性的8位非线性编码的码组结构如下表3 1所示 极性码段落码段内码 M1M2M3M4M5M6M7M8 表 3 1 13折线8位码组结构 上表中 第 1 位码M1 的数值 1 或 0 分别代表信号的正 负极性 称为极性 码 考虑 13 折线中对应于正输入信号的 8 段折线 共包含 128 个量化级 用剩下的 7 位码 M2 M8 就能表示出来 段落码和各段之间的关系如图 3 5 所示 图 3 5 段落码和段的关系 段落码编码序号如表 3 2 所示 段落序号 段 落 码 M2M3M4 8111 7110 6101 5100 4011 3010 2001 1000 表3 2 段落码序号 段内码编码和对应电平的关系如表3 3所示 电 平 序 号 段内码 电 平 序 号 段内码 M5M6M7M8M5M6M7M81411106011012110040100 11101130011 10101020010 9100110001 8100000000 表3 3 段内码编码 第四章第四章 PCMPCM 算法算法 DSPDSP 硬件设计硬件设计 PCM 算法基于 TI 定点 DSP 芯片 TMS320C5509A 实现 本章先介绍 TMS320C5509A 芯片的内部结构和特性 然后给出 PCM 算法硬件实现的整体构架和具体电 路设计 4 14 1TMS320C5509ATMS320C5509A DSPDSP 芯片介绍芯片介绍 TMS320C5509A 以下简称 5509A 是基于 TI TMS320C55x 以下简称 C55x 系列 DSP CPU 内核的 16 bit 定点数字信号处理器 从内核构架角度来讲 它和 C55x 系列下的其 他芯片具有相同的性能 本节主要介绍了 C55x 系列 DSP 的一些基本性能 然后介绍了 5509A 的 CPU 结构和相应的模块功能 最后对本论文中所用到的片内外设的相应功能进 行了概括 4 1 14 1 1 C55xC55x 系列系列 DSPDSP 概述概述 C55x 系列 DSP 是德州仪器 TI C5000 DSP 系列里最新一代的产品 C55x 继承了 C54x 向低功耗 低成本发展的趋势 在有限的功率下保持最佳性能 跟 C54x 相比 C55x 的核有两个乘加器 MAC 增加了累加器 ACC 算术逻辑单元 ALU 数据寄存器等 配合并行指令 每个机器周期的效率提高了一倍 C55x 的指令长度是 可变的 从 8 比特到 48 比特 这种长度可变的指令可以使函数减少码量 从而减少存 储器的用量降低系统成本 并且 C55x 有多达 24 组总线 并行地为各计算单元提供指令 和操作码 充分体现了 DSP 强大的数据处理能力 随着功率管理技术的进步 C55x 通过 低功率设计实现了超低功耗 C55x 的结构和设计为了适应四个相关的目标 超低功耗 高性能 降低代码密度和与 C54x 的完 34 全兼容 C55x 在无线手机 便携式声音播放器 助听器 高效多路电话系统和数码 相机等产品都有广泛的应用 4 1 24 1 2 5509A5509A 的的 CPUCPU 结构结构 5509A CPU 包含了四个功能单元 即指令缓存单元 I unit 程序流单元 P unit 地址数据流单元 A unit 和数据计算单元 D unit 四个功能单元的主要功 能是 1 指令缓存单元 该单元接在每个 CPU 周期收到 4 Byte 程序代码 并存入其指 令 缓冲队列 先解码该缓冲队列中先前收到的 1 6 Byte 代码 然后把解码的数据 传 输到其他三个功能单元执行 2 程序流单元 该单元产生所有程序空间地址 它还可以通过硬件循环 分支和 条 件执行等操作来控制指令的执行顺序 3 地址数据流单元 该单元包含所有的逻辑单元和用以产生数据空间地址的寄存 器 它有一个 16 bit 的算术逻辑单元还能进行移位 逻辑和算术运算以及饱和操作 4 数据计算单元 该单元是 CPU 的核心功能单元 包含了 CPU 里最基本的计算 单 元 如 一个 40 bit 移位范围从 32 bit到 31 bit 的桶形移位寄存器 一个 40 bit 能 进行算术 逻辑 取整以及饱和操作的算术逻辑单元和一个能在一个周期内完 成 一次乘法 17 bit 和加法 40 bit 的乘加单元 CPU的四个功能单元通过片内的数据和地址总线和存储器接口单元 M unit 相连接 其中 M 单元是 CPU 和 I O 空间或数据空间或之间传输所有数据的 媒介 5509A CPU 基本结构框图如图 4 1 所示 图 4 1CPU 结构框图 4 1 35509A 的外设的外设 为了使 DSP 芯片有更强的扩展功能 TI DSP 芯片设置了丰富的片内外设接口 如 带数字锁相环 PLL 的时钟发生器 直接存储器访问 DMA 控制器 外部存储器接口 EMIF 多通道缓冲串口 McBSP 通用串行总线 USB 模块 内部集成的电路 I2C 模块 多媒体卡 MMC 控制器等 下面简单介绍一些外设模块在本课题中的作用 其 他模块的用途可参见文献 1 带数字锁相环的时钟发生器 时钟发生器用来为芯片提供高稳定的时钟信号 它 的 PLL 电对外部时钟进行倍频使外部时钟的周期低于 CPU 机器周期 而且 PLL 可以通过编程配置倍频数从而得到合适的时钟频率 2 内部集成的电路模块 I2C 模块为 5509A 提供与 Philips Semiconductors 内 部 IC 总线兼容的接口 DSP 基于 I2C 总线配置音频 AD DA 芯片 Aic23b 的 11 个寄 存 器 即设定音频线芯片的工作参数 3 多通道缓冲串口 高速的多通道缓冲串口和音频 AD DA 芯片 Aic23b 的数据口 相连接 主要负责传输数字语音信号进入芯片进行处理和把处理后的数字语音信号传送 到音频芯片进行数模转换 4 直接存储器访问控制器 DMA 控制器可以独立于 CPU 把语音数据搬移到内部存 储器 即和 CPU 并行工作 大大提高了数据处理速度 DSP 外设的一般要根据项目开发的实际需求去配置相应的寄存器 然后外设按照配 置的工作 上述四个模块的具体配置方法将在下面的章节里具体介绍 4 2 PCM 算法实现硬件构架算法实现硬件构架 PCM算法硬件构架主要由 5509A DSP 芯片 Aic23b 音频 AD DA 芯片构成 PCM算 法实现的硬件构架示意图如图 4 2 所示 其中 Aic23b 音频 AD DA 芯片主要用于对 输入模拟语音信号进行模数转换和对译码的数字语音进行数模转换 Aic23b 的数据口 和 DSP 的McBSP0 和 McBSP1 相连用于语音数据的传输 Aic23b 的配置口和 DSP I2C 接口相接从而对音频芯片工作参数进行配置 5509A把输入的16bit语音信号进行PCM编 码输出8bit的码流 译码后转化为16bit的语音输出 JTAG 接口是 DSP 芯片和 PC 之 间的桥梁 我们可以通过 CCS 开发环境 在 PC 上结合仿真器对编解码程序进行实时 调试 图 4 2PCM 算法硬件构架示意图 Aic23b为DSP提供进行PCM编码的语音数据 是PCM算法硬件构架中重要的组成部分 下面简单介绍音频采样芯片Aic23b和该芯片的配置和使用方法 Aic23b 是 TI 公司生产的一块音频 AD DA 芯片 它支持麦克风和线路输入两种输 入方式 并且内置耳机输出放大器 输出信号不需要外接功率放大器就可以直接用耳 机 收听 Aic23b 的模数转换和数模转换采用了先进的 Sigma delta 过采样技术 可以 对音频信号进行 8 k 96 k 范围内的采样并提供 16 bit 20 bit 24 bit 和 132 bit 四种量化 精度 并且模数转换和数模转换输出信号的信噪比分别高达 90 dB 和 100 dB 以上 很 好的保证了音频的质量 Aic23b 的配置主要是对如表 5 1 所示的 11 个内 部寄存器写入相应的参数 如 采 样率 工作模式 音量大小等 使音频芯片按照我 们的需求进行工作 Aic23b 的配置 方法有两种 即 SPI 模式和 I2C 模式 因为 5509A 片内外设有 I2C 模块而没有 SPI 模块 因此我们选择用 I2C 去配置音频芯片 I2C Inter Integrated Circuit 由飞利浦 PHILIPS 公司开发的一种串行总线 它有 数据线 SDA 和时钟线 SCL 两根信号线 能实现全双工同步数据通信 并且有结 构简 单传输效率高等优点 I2C 一般用于微控器及其外围设备的连接 挂在总线上的 终端 设备都可以作为主机 Master 或者从机 Slave 并且它们都有在总线上的唯 一地址 主机主要建立信道 从机则是应答建立的信道 本文中 DSP 芯片作为主机音 频芯片作 为从机 I2C 总线连线示意图如图 4 3 所示 图 4 3I2C 总线器件连接图 音频芯片的配置代码用 C 语言结合 TI 提供的芯片支持库 Chip Support Library 简称 CSL 编写 主要参数设为 采样率 8k HZ 16 bit 量化 数据格式为 DSP 模式 配置过程分以下几步 第一步 进行 CSL 的初始化 第二步 设定 CPU 和 I2C 的时 钟 第三步 用I2C write 函数对寄存器写入相关参数 然后检测应答信 号Flag 如 果为真则对下一个寄存器进行参数写入 否则配置失败结束程序 第四步 返回到第 三步直到 11 个寄存器完全配置成功 图 4 4 为音频芯片配置流程图 图 4 4音频芯片配置流程图 4 3PCM 算法实现硬件电路设计算法实现硬件电路设计 硬件电路的设计主要包括 DSP 芯片模块 电源和复位模块 时钟模块 JTAG 模块 以及音频模块 系统硬件平面设计图如图 4 5 所示 图 4 5 硬件平面图 4 3 1 DSP 芯片模块芯片模块 DSP模块作为整个实验模块的核心部分 主要完成数字信号的输入和输出 算法运算等功能 稳定的内核电源和IO引脚电源 精确的晶振频率 足够时延 的复位系统是本模块正常工作的必要条件 芯片电路图如图4 6所示 图 4 6 DSP 芯片电路图 4 3 2 电源和复位电路电源和复位电路 DSP 模块的电源 从电源模块设计部分易知 DSP 的供电电源有两种 即内核工作 电压 DVDD 1 6V 和外部 I O 引脚工作电压 CVDD 3 3V 这两种电压都可以由电源 部分得到 DSP 芯片采用这种高低电压分离的方式进行供电 可以大大降低芯片的功耗 另外 在每一个电源引脚处 接一个 O 1 zF 的无极性电容 然后接地 从而达到滤 波的作用 DSP 芯片复位电路 DSP 芯片需要外接复位电路 以满足上电复位和手动复位 TMS320VC5509A 芯片为低电平复位 当 RS 为有效电平 低电平 时 DSP 停止当前所正在 执行的指令 程序指针指向程序间的 0 xFF80h 处 当面从有效电平变为无效电平 高电 平 时 指令将从程序存储器的 0 xFF80h 处开始执行 电源和复位电路的电路图如图 4 7 所示 图 4 7 电源和复位电路图 4 3 3 时钟模块时钟模块 DSP的时钟发生器可以由以下两种方式产生 一是使用具有内部振荡电路的晶体振 荡器 晶体振荡器电路连接到DSP的XI和X2 CLKIN引脚 另外CLKMD引脚必须配置以使 能内部振