DSP原理与应用语音信号采集与频谱分析设计

1、西 南 交 通 大 学课 程 设 计课 程：DSP原理与应用课程代码：0473001题目： 语音信号采集与频谱分析设计 成绩： 评语： 2015年1月任务书：1. DSP采用TMS320C5416，外挂SRAM。设计DSP电路核心系统电路。2. 输入语音信号电压范围为050mV，信号带宽20KHz，设计前端模拟电路，选择ADC(8位及以上器件)以及相关电路。3. 设计电源系统，系统电源输入为+12V。4. 将采集的数据放在RAM中，每次采集512个点数据，先将信号采用低通滤波器处理，滤波器截止频率为20KHz，分析语音信号的频谱信息。5. 通过软件方式产生语音信号，验证算法。语音信号采集与频谱

2、分析设计1. 系统设计 该系统主要分为以上四个模块，整个系统有电源电路供电，模拟前端利用双通道运算放大器实现输入语音信号的滤波和放大，选择AD7819实现对放大后的语音信号进行采样并传送给DSP，DSP对采样信号进行处理，利用外挂的IS61LV6416（SRAM）进行数据存储。2. 硬件设计2.1 模拟前端设计（1）模拟前端设计要求输入语音信号电压范围为050mV，信号带宽20KHz，要求通过设计模拟前端电路将输入语音信号电压扩大50倍，然后对放大后的信号进行采样，将采样后数据提供给DSP进行处理。（2）器件选型及依据TLV2782零漂移精密放大器Number of Channels (#)2

3、Total Supply Voltage (Min) (+5V=5, +/-5V=10)1.8Total Supply Voltage (Max) (+5V=5, +/-5V=10)3.6Slew Rate (Typ) (V/us)4.3GBW (Typ) (MHz)8AD7819,ADI生产，是一款高速、微处理器兼容型、8位模数转换器（ADC），最大吞吐量为200 kSPS。该转换器采用+2.7 V至+5.5 V单电源供电，内置4.5 微秒（µs）逐次逼近型模数转换器、采样保持电路、片内时钟振荡器和8位宽并行接口。利用该并行接口，可方便地与微处理器和DSP进行接口。AD7819仅使

4、用地址解码逻辑，因此很容易实现到微处理器地址空间的映射。在省电模式下工作时，AD7819会在一次转换结束时自动关断，并在新转换开始时自动上电。当吞吐量较低时，此特性可显著降低器件的功耗。AD7819也可在高速模式下工作，此时该器件在两次转换之间不关断。在这种模式下工作时，该器件能提供200 kSPS吞吐量。2.2 DSP核心系统设计（1） 存储器运行要求，结合CMD文件在系统中我们使用该外挂的SRAM存储AD采样的数值和DSP程序处理过程产生的数据。DSP内部的存储器可以用来运行程序，由于不存在多个外置存储器的问题，我们在硬件上可以不为外置SRAM分配地址空间，在CMD文件上可以将0x8000

5、至0xFFFF的地址空间分配给数据存储空间，地址空间占32K。将0x0080至0x7FFF分配给程序存储空间。此时DSP可以工作在微计算机处理模式下，即MP/MC为低电平，同时还应该将OVLY位置1将DSP内部的DRAM0-3映射到程序存储空间，DROM位置0将外置的SRAM分配给数据存储空间上。这样，DSP的存储空间才能正确地映射到实际的物理空间上。则CMD文件可以写成：MEMORYPAGE 0:PRAM: org = 0080H, len = 7F80HPAGE 1:DRAM: org = 8000H, len = 8000HSECTIONS.text : > PRAM PAGE 0

6、.cinit : > PRAM PAGE 0.const : > DRAM PAGE 1.bss : > DRAM PAGE 1（2）器件选型及原理图设计DSP晶振电路、时钟选择电路、JTAG下载接口电路、复位电路和外挂SRAM电路。在本系统中，晶振电路使用16MHz的有源晶振；时钟选择电路可以通过手动硬件上设置DSP主时钟频率；JTAG电路用于DSP进行仿真和下载程序时与仿真器之间进行连接的接口电路；复位电路是用于给系统中DSP进行手动复位或者上电复位的；外挂的SRAM使用的是IS61LV6416，该SRAM是64Kx16Bit的高速CMOS静态RAM，它与本DSP的并行外

7、部地址、数据总线直接相连，片选信号直接接上DSP的数据空间选择引脚上，硬件上可以不做任何地址分配问题。2.3 电源设计（1）器件选型及原理图设计在本系统中对DSP等器件使用的1.6V和3.3V电压，本方案使用开关电源芯片TPS5430将输入的12V电压调整为5V，该芯片的输入电压范围广，最大3A的持续输出电流，转换效率高达95%。然后该5V电压为TPS767D301供电，TPS767D301是双输出的低压差线性稳压器，一路固定3.3V输出，另一路通过外部电阻可调输出，调整关系为Vout=(1+R1R2)VREF,其中R1为本系统中R19，R2为本系统中R21，参考电压为1.1834，两路输出最

8、大都达到1A的电流，由此产生系统中使用的3.3V和1.6V电压。3. 软件设计设计低通滤波器，滤波器截止频率为20KHz并验证，对通过滤波器后的信号进行fft变换，利用ccs软件仿真截图。3.1 信号源代码及说明unsigned int n;float inputN,outputN;unsigned long int fs=300000; /300Kunsigned int f1=100; /100Hzunsigned int f2=1000; /1Kunsigned int f3=30000; /30Kunsigned long int f4=100000; /100Kvoid wavein

9、() for(n=0;n<N;n+ ) inputn= sin(2*pi*n*f1/fs)+sin(2*pi*n*f2/fs)+sin(2*pi*n*f3/fs)+sin(2*pi*n*f4/fs); /生成信号源，为300kHz,100kHz,1kHz,30kHz正弦信号的叠加3.2 FIR滤波器代码及说明float firorder = -4.14135974137957e-19,-0.000829435289146221, -0.00217059218889375,-0.00421750352552917,-0.00665559847630187, -0.0085112962585

10、6717,-0.00823761143889161,-0.00405306953469355, 0.00553761739630963,0.0211860167280687,0.0422819233490111, 0.0668268810785874,0.0916755820850861,0.113115606027137, 0.127652410187186,0.132798139721275,0.127652410187186,0.113115606027137, 0.0916755820850861,0.0668268810785874,0.0422819233490111, 0.021

11、1860167280687,0.00553761739630963,-0.00405306953469355, -0.00823761143889161,-0.00851129625856717,-0.00665559847630187, -0.00421750352552917,-0.00217059218889375,-0.000829435289146221, -4.14135974137957e-19;/MATLAB生成的滤波器参数for(n=0;n<N;n+ )/滤波 p=0; s=0; while(p<order)&&(p<=n) s=firp*i

12、nputn-p+s; p+; outputn=s;3.3 FFT代码及说明#define Sample_Numb 512float FFT_ReSample_Numb;float FFT_ImSample_Numb;float FFT_WSample_Numb;float sin_tabSample_Numb;float cos_tabSample_Numb;void FFT_WNnk(void)/生成蝶形变换系数 int i; for(i=0;i<Sample_Numb;i+) sin_tabi=sin(2*pi*i/Sample_Numb); cos_tabi=cos(2*pi*i/

13、Sample_Numb); void fft(float datarSample_Numb,float dataiSample_Numb)/fft变换 int x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,xx; int i,j,k,b,p,L; float TR,TI,temp;/倒位序 for(i=0;i<Sample_Numb;i+) x0=x1=x2=x3=x4=x5=x6=x7=0; x0=i&0x01;x1=(i/2)&0x01;x2=(i/4)&0x01;x3=(i/8)&0x01; x4=(i/16)&0x01;x5=(i/

14、32)&0x01;x6=(i/64)&0x01;x7=(i/128)&0x01; x8=(i/256)&0x01; xx = x0*256+x1*128+x2*64+x3*32+x4*16+x5*8+x6*4+x7*2+x8; dataixx=datari; for(i=0;i<Sample_Numb;i+) datari=dataii;dataii=0; for(L=1;L<=9;L+) b=1;i=L-1; while(i>0) b=b*2;i-; for(j=0;j<=b-1;j+) / p=1;i=9-L; while(i>

15、0) p=p*2;i-; p=p*j; for(k=j;k<512;k=k+2*b) TR=datark;TI=dataik;temp=datark+b; datark=datark+datark+b*cos_tabp+dataik+b*sin_tabp; dataik=dataik-datark+b*sin_tabp+dataik+b*cos_tabp; datark+b=TR-datark+b*cos_tabp-dataik+b*sin_tabp; dataik+b=TI+temp*sin_tabp-dataik+b*cos_tabp; for(i=0;i<Sample_Num

16、b/2;i+) FFT_Wi=sqrt(datari*datari+dataii*dataii); 3.4 仿真图及分析MATLAB中的截图：A:滤波器设计分析：本系统采用的是阶数为30的汉明窗低通滤波器，采样频率为300kHz，截止频率为20kHz。 B：输入信号时域分析分析：生成信号源，为300kHz,100Hz,1kHz,30kHz正弦信号的叠加C：输入信号频谱分析分析：可见输入信号中有4个频率分量D：输出信号时域分析分析：通过滤波后输出的信号中剩下两个频率分量，分别是100Hz，1kHz的正弦信号，上图为它们的时域叠加，完成了设计要求。E：输出信号频域分析分析：滤波后的信号剩余两个频谱

17、分量CCS软件截图A：输入波形时域图形B：输入波形频谱分析C：输出波形时域图形D：输出波形频谱分析E：输出FFT变换后分析：由ccs仿真图可知输入信号中超过20kHz的信号能够成功的被滤除，故该系统设计满足设计要求。4.课程总结本学期的DSP原理与应用课程从数字信号处理概述讲起，到DSP芯片的发展概况，以及DSP芯片的特点、分类、应用，从C54X系列深入探讨了DSP芯片功能，系统结构，硬件设计以及ccs软件设计和仿真。最后利用动手设计fir滤波器和FFT变换两个实例的硬件软件设计和仿真来进一步加深对DSP原理与应用的理解。附：ccs源代码#include <math.h>#incl

18、ude <stdlib.h>#define order 31 #define N 512 #define pi 3.14159265358979323846float firorder = -4.14135974137957e-19,-0.000829435289146221, -0.00217059218889375,-0.00421750352552917,-0.00665559847630187, -0.00851129625856717,-0.00823761143889161,-0.00405306953469355, 0.00553761739630963,0.0211

19、860167280687,0.0422819233490111, 0.0668268810785874,0.0916755820850861,0.113115606027137, 0.127652410187186,0.132798139721275,0.127652410187186,0.113115606027137, 0.0916755820850861,0.0668268810785874,0.0422819233490111, 0.0211860167280687,0.00553761739630963,-0.00405306953469355, -0.008237611438891

20、61,-0.00851129625856717,-0.00665559847630187, -0.00421750352552917,-0.00217059218889375,-0.000829435289146221, -4.14135974137957e-19;float s;unsigned int n;float inputN,outputN;unsigned long int fs=300000; /300Kunsigned int f1=100; /100hzunsigned int f2=1000; /1Kunsigned int f3=30000; /30Kunsigned l

21、ong int f4=100000; /100K#define Sample_Numb 512float FFT_ReSample_Numb;float FFT_ImSample_Numb;float FFT_WSample_Numb;float sin_tabSample_Numb;float cos_tabSample_Numb;void FFT_WNnk(void) int i; for(i=0;i<Sample_Numb;i+) sin_tabi=sin(2*pi*i/Sample_Numb); cos_tabi=cos(2*pi*i/Sample_Numb); void fft

22、(float datarSample_Numb,float dataiSample_Numb) int x0,x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8,xx; int i,j,k,b,p,L; float TR,TI,temp;/倒位序 for(i=0;i<Sample_Numb;i+) x0=x1=x2=x3=x4=x5=x6=x7=0; x0=i&0x01;x1=(i/2)&0x01;x2=(i/4)&0x01;x3=(i/8)&0x01; x4=(i/16)&0x01;x5=(i/32)&0x01;x6=(i/64)&0x01;x7=(i/128)&0x01; x8=(i/256)&0x01; xx = x0*256+x1*128+x2*64+x3*32+x4*16+x5*8+x6*4+x7*2+x8; dataixx=datari; for(i=0;i<Sample_Numb;i+) datari=dataii;dataii=0; for(L=1;L<=9;L+) b=1;i=L-1; while(i>0) b=b*2;i-; for(j=0;j<=b-1