音频信号频谱分析

1、 CHANGSHA UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGYDSP课程设计题目： 音频信号频谱分析学生姓名： 张金行学 号： 201057050229班 级: 10-02专 业： 电子信息工程指导教师： 黄亚飞、肖鸿实习起止时间: 2014年1月7日至2014年1月18日 摘要 随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。而DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。这一方面极大地促进了数字信号处理技术的进一步发展；另一方面，它也使数字信号处理的应用领域得到了极大的拓展。在国外DSP芯片已经被广

2、泛地应用于当今技术革命的各个领域；在我国，DSP技术也正以极快的速度被应用到科技和国民经济的各个领域。本次课程设计介绍了音频信号频谱分析的原理以及其所涉及的硬件结构和软件设计，该设计是基于快速傅立叶变换（FFT）的方法对采集的音频信号进行频谱分析，得到音频信号的频率及功率，FFT算法采用TLC320AD50编写DSP程序实现。现可以完成256点的FFT运算，频率分辨率达到100Hz，输入信号电压（峰峰值）可以达到100mV到4V。关键词：音频信号；快速傅立叶变换；频谱分析；分辨率目录1 绪论21.1 设计背景21.2 设计目的31.3 设计要求32 设计原理42.1 TMS320C54x芯片简

3、介42.2 TLC320AIC23芯片简介52.3 12864LCD液晶显示屏简介63 系统总设计方案74 系统模块设计74.1 语音信号采集模块74.2 语音信号处理模块94.3 LCD显示模块105 结果显示126 心得体会14参考文献15附录 程序清单161 绪论1.1 设计背景目前，在微电子技术发展的带动下，DSP芯片的发展日新月异，DSP的功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段不断改进。DSP芯片已经完全走下了“贵族”的圣坛。DSP芯片已经在通信与电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域中得到了广泛的应用，而且新的应用领域在不断地

4、被发掘。TI、AD、AT&T、Motorola和Lucent等公司是DSP芯片的主要生产商。其中TI公司的TMS320系列的DSP占据了全球DSP市场的50%左右。该系列产品在我国同样被用户广泛使用，市场份额更高，超过90。鉴于多数DSP芯片和高速A/D、D/A芯片工艺为贴片封装，对一般用户来说工厂制版成本较高、手工工艺难制版、效果差等的困难，本系统设计了一套基于DSP芯片的最小系统板，并扩展了A/D、D/A实现语音信号的采集和回放，制作语音处理平台。设计的核心芯片采用TI公司的TMS320VC5402PGE100进行设计，其最高处理速度能达到100MIPS(每秒执行100百万条指令)

5、，性能优越、性价比高，适合大多数用户和教学科研。基于DSP的运用领域和前景，结合我的专业跟个人爱好，本次毕业设计所选课题为DSP语音采集回放处理平台。以TMS320C5402DSP为核心，对外部语音信号进行采集，并对所采集信号进行语音处理，最后通过外部设备回放。该系统适合对单语音信号进行处理。由于设计过程中采用的A/D、D/A芯片是TI公司的TLC320AD50，所以最高采样速率为22.05KHZ。为了验证本次设计的正确性和可用性，对采集的语音信号进行FIR滤波，滤除50HZ交流信号，并抑制频率在3600HZ以上的语音信号。所设计的滤波器是带通滤波器，通带为200HZ3400HZ，经过实验验证

6、，得到了预期的滤波效果。证明本次单通道语音信号处理平台设计的正确性，可用性。1.2 设计目的通过本次课程设计，综合运用数字信号处理、DSP技术课程以及其他有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题，并使所学知识得到进一步巩固、深化和发展。初步培养学生对工程设计的独立工作能力，掌握电子系统设计的一般方法。通过课程设计完成基本技能的训练，如查阅设计资料和手册、程序的设计、调试等，提高学生分析问题、解决问题的能力。1.3 设计要求 本题目通过TLC320AD50采集音频信号(f.max<10kHz)，编写DSP的FFT处理程序（自定频谱分辨力），获得幅频特性之后，在点阵液晶(128*

7、64)中大致显示出幅频图。并在液晶中用文字显示频率幅值前三的频率值。1、DSP与TLC320AD50接口电路的原理图绘制；2、DSP控制TLC320AD50的程序编写与调试；3、TLC320AD50进行语音模拟量到数字信号的转换，实现声音的采集，在CCS软件中分析信号的幅频特性；4、编写DSP的FFT处理程序；5、控制点阵液晶，实现绘图功能，将幅频图显示出来；6、按要求编写课程设计报告书，正确、完整的阐述设计和实验结果；7、在报告中绘制程序的流程图，并文字说明。2 设计原理2.1 TMS320C54x芯片简介C54x是一款低功耗、高性能的定点DSP芯片，其内部结构电路图如图2-1所示。其CPU

8、部分采用先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线)。40位算术逻辑运算单元(ALU)，包括1个40位桶形移位寄存器和2个独立的40位累加器。17位并行乘法器，与40位专用加法器相连，用于非流水线式单周期乘法/累加(MAC)运算。TMS320C5416DSP芯片共有192千字的可寻址存储空间。这192千字的存储空间分为3个独立的可选择空间，分别为：64千字的程序存储空间；64千字的数据存储空间；64千字的I/O空间。所有的TMS320C5416DSP芯片都包括内部随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。内部随机存储器RAM又分为单寻址RAM（SARAM）和双寻址RAM(DA

9、RAM)两种类型。为了满足数据处理的需要，TMS320C5416DSP芯片提供了必要的片内外部设备。这些外部设备主要包括：通用I/O引脚；定时器；时钟发生器；主机接口HPI；串行通信接口；软件可编程等待状态发生器；可编程分区转换逻辑。TMS320C5416DSP芯片的外部总线具有很强的系统接口能力，可与外部存储器以及I/O设备相连，能对64K字的数据存储空间，64K字的程序存储空间，以及64K字的I/O空间进行寻址。独立的空间选择信号DS，PS和IS允许进行物理上分开的空间选择。接口的外部数据准备输入信号（READY）与片内软件可编程等待状态发生器一道，可以使处理器与各种不同速度的存储器和I/

10、O设备连接。接口的保护方式能使外设对TMS320C5416DSP芯片的外部总线进行控制，使外部设备可以访问程序，数据和I/O空间的资源。C5416DSP芯片是一种特殊结构的微处理器,为了快速实现数字信号处理运算,采用了流水线指令结构和相应的并行处理结构,可在一个周期内对数据进行高速的算术运算和逻辑运算。C5416采用先进的哈佛结构，具有片内存储器、中断、串口、并口等丰富的资源，加上高度专业化的指令系统，使C5416具有很高的性价比，已经广泛应用于通信、语音处理、图像处理、仪器仪表等无线电通信系统中。 图2-1 TMS320C54x内部结构示意图2.2 TLC320AIC23芯片简介TLC320

11、AIC23是一种高性能的立体声音频Codec芯片作为从设备，主要完成输入语音信号的A/D转换，语音采样编解码及滤波处理，该芯片构成简单，功能强大。TLC320AIC23工作电压3.3V，能在数字和模拟电压下工作,与TMS320C5416 的I/O 电压相兼容，其控制接口和数字接口与DSP 的MCBSP 端口能够无缝连接。TLC320AIC23的模数转换（ADCs）和数模转换（DACs）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma- delta 过采样技术（Sigma- delta一般用于ADC中，是高精度的A/D转换器，该转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移到阻态），可以在8K到96K的

12、频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。2.3 12864LCD液晶显示屏简介带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由

13、该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。3 系统总设计方案 本系统用DSP芯片TMS320C5416与音频编解码芯片TLC320AIC23 实现硬件接口和软件设计, 并在此硬件基础上实现语音信号的采集、频谱分析并用LCD显示语音信号的幅频特性曲线。本系统包括音频采集、DSP对语音信号的处理、LCD显示三部分。系统结构如图3-1所示:TLV320AIC23TMS320C5416 DSP12864 LCD音频信号输入数据接口控制接口图3-1 系统结构图4 系统模块设计4.1 语音信号采集模块

14、从适应语音信号频率、满足实时性、降低成本、简化设计的要求出发，本系统选择TLC320AIC23。TLC320AIC23是一种高性能的立体声音频Codec芯片作为从设备，主要完成输入语音信号的A/D转换，语音采样编解码及滤波处理，该芯片构成简单，功能强大。TLC320AIC23工作电压3.3 V，能在数字和模拟电压下工作，与TMS320C5416 的I/O 电压相兼容，其控制接口和数字接口与DSP 的MCBSP 端口能够无缝连接。TLC320AIC23的模数转换（ADCs）和数模转换（DACs）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma- delta 过采样技术（Sigma- delta一般

15、用于ADC中，是高精度的A/D转换器，该转换器的特点是将绝大多数的噪声从动态转移到阻态），可以在8K到96K的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。TLC320AIC23通过以下引脚与TMS320C5416连接。BCLK:I2S(一种TLC320AIC23的数字音频接口支持的通用的音频格式)串行数据传输时钟,当TLC320AIC23为主模式时BCLK由TLC320AIC23产生并提供给DSP,频率为主时钟的1/4,当从模式时由DSP产生；DIN: I2S格式串行数据输入端,送入立体声DAC；DOUT: I

16、2S格式串行数据输出端,由立体声ADC产生；LRCIN/LRCOUT: I2S格式数据输入/出帧同步信号；SCLK:控制端口移位时钟；SDIN:控制端口串行数据输入,用来传输配置TLC320AIC23内部寄存器数据；/CS:控制端口输入和地址锁存选择端,在SPI控制模式下,作为数据锁存控制端,在I2C模式下,定义外设的7位地址；XTI/MCLK:晶体或外部时钟输入端,TLC320AIC23内部时钟由它产生。TLC320AIC23的工作时钟由外接的一个11.2896M的晶振提供，TLC320AIC23从电路模块电路如图4-1所示。图4-1 TLV320AIC23从电路模块电路数字音频接口主要管脚

17、为BCLK数字音频接口时钟信号（bit时钟），当TLC320AIC23为从模式时（通常情况），该时钟由DSP产生；TLC320AIC23为主模式时，该时钟由TLC320AIC23产生；LRCIN数字音频接口DAC方向的帧信号（I2S模式下word时钟）;LRCOUT数字音频接口ADC方向的帧信号;DIN数字音频接口DAC方向的数据输入;DOUT数字音频接口ADC方向的数据输出;这部分可以和DSP的McBSP（Multi-channel buffered serial port，多通道缓存串口）无缝连接，唯一要注意的地方是McBSP的接收时钟和TLC320AIC23的BCLK都由McBSP的发送

18、时钟提供。麦克风输入接口主要管脚为MICBIAS提供麦克风偏压，通常是3/4 AVDD MICIN麦克风输入; LINE IN输入接口主要管脚为LLINEIN左声道LINE IN输入RLINEIN右声道LINE IN输入；配置接口主要管脚为SDIN配置数据输入；SCLK用于配置时钟；DSP通过该部分配置TLV320AIC23的内部寄存器，每个word的前7bit为寄存器地址，后9bit为寄存器内容。TLC320AIC23有两个数字接口，其一是由CS(控制信号)、SDIN(信号数据输入)、SCLK(信号时钟)和MODE(模式)构成的数字控制接口，通过它将芯片的控制字写入TLC320AIC23，从

19、而控制TLC320AIC23功能；另一组是由LRCIN(左右声控制输入)、DIN(数据输入)、LROUT(左右声输出)、DOUT(数据输出)和BLCK(时钟)组成的数字音频接口，TLC320AIC23的数字音频信号从这个接口接收或发出。TLC320AIC23内部还包含两个A/D、D/A 变换器，其字长可以是16、20、24、32，同时TLC320AIC23内部的时钟可以通过XTI(晶振时钟输入)、XTO(时钟输出)和外接晶振构成时钟，也可以由外部直接输入时钟信号。TLC320AIC23内部还包含有MIC偏置电路，使用外接MIC无需外置偏置电路。4.2 语音信号处理模块有语音信号采集模块所采集的

20、模块经过A/D转换输入TMS320C5416DSP芯片对其进行FFT运算，得其幅频特性曲线。FFT 算法的实现主要分为三个步骤：1. 实现输入数据的比特反转，输入数据的比特翻转实际上就是将输入数据进行位码倒置，以便在整个运算后的输出序列是一个自然序列。2. 实现N点复数FFT,这一过程的实现分为三个功能块，即第一级蝶形运算、第二级蝶形运算、第三级蝶形运算乃至log2N级蝶形运算。对于任何一个2的整数幂N=2m，总可以通过M次分解到2点的DFT计算。通过这样的M次分解，可构成M（log2N）级迭代计算，每级由N/2个蝶形运算组成。3. 功率普计算，即计算X(k)=X(n) WNnk ，X（k）一

21、般是由实部和虚部组成。因此计算功率普时，只需将FFT变换好的数据，按照实部和虚部求它们的平方和即可。设计的子程序流图如图4-2所示；初始化输入数组排序计算第一层中间值计算层数计算对应层步长计算计算各层中间结果计算结果输出计算层数=0？YN 图4-2 FFT运算子程序流图4.3 LCD显示模块LCD数据接口基本上分为串行接口和并行接口两种形式，本设计系统选用的是北京青云创新科技公司生产的中文液晶显示模块，型号为LCM12864ZK_LCD,其字型ROM内含8192个16*16点中文型和128个16*8半宽的字母符号字型；另外绘图显示画面提供一个64*256点的绘图区域GDRAM;而且内含CGRA

22、M提供4组软件可编程的16*16点阵造字功能。本设计中，采用并行8位数据接口输入方式，把LCD映射到DSP芯片的I/O空间，通过读写I/O地址来控制液晶，TMS320C54xDSP芯片对该地址输出数据，实现LCD的显示控制。LCD显示子程序流程图如图4-3所示。图4-3LCD显示子程序流图5 结果显示 运用C语言编写设计所需要的程序（见附录），把程序下载到的实验箱中，观察LCD上所显示的幅频特性曲线如图5-1，图5-2所示。图5-1 基波幅频特性曲线图5-2 混频信号幅频特性曲线上图中所显示的分别是基波和基波三次谐波以及五次谐波所叠加而得信号的幅频特性曲线，并且所给信号是一定的，LCD的只进行

23、一次扫描，并且是点状图。对程序稍作修改可以实现动态显示，也可以实现用柱形图来表示频谱，如图5-3所示。图5-3 幅频特性柱状图6 心得体会 为期两周的DSP课程设计结束了，在这两周的时间里，我认认真真地学习了DSP的相关知识。这个学期由于找工作，所以基础知识学得不是很扎实，正好利用课程设计这个机会，对没有掌握好的知识进行一个补习。 刚开始自己编的程序运行错误很多，当时都没信心能把这个课程设计完成，但什么都要自己面对。于是我首先从最简单的程序开始着手，首先看懂程序是什么意思，在尝试在这个基础上对程序进行修改 ，看程序是否出错，或者说实验的结果会有什么样的改变。用这种方法使自己尽快的熟悉了这个系统

24、的编程的方式。在课程设计的过程中，虽然自己有许多的知识都不懂，但是能够在同学的帮助下，老师的指导下解决一些问题，我觉得这就是进步，这就是收获。通过这两周的课程设计，让我对DSP的应用有了更好的理解，同时对LCD的显示这一块也学到了不少的东西，总之，这两周的课程设计过的很充实，收获很大。参考文献1 邹彦. DSP原理及应用M. 北京:电子工业出版社,2005,1.2 戴明桢.TMS320C54xDSP结构、原理及应用M.北京航空航天大学出版社,2001,8.3 胡圣尧. DSP原理及应用M.东南大学出版社,2008.7.4 清源科技.TMS320C54xDSP应用程序设计教程M.机械工业出版社,

25、2004,1.5 清源科技.TMS320C54x硬件开发教程M.机械工业出版社,2003,1.附录 程序清单ex12.asm* FileName:ex12.asm * Description:音频信号频谱分析实验 * Copyright(C) SanZhi Electronic, Author Zpin *.title "ex12"BSP.set1;当前使用McBsp1;McBsp 内存映射寄存器SPSA0.set 038hSPSD0.set 039hDRR10.set 021hDRR20.set020hDXR10.set 023hDXR20.set022hSPSA1.se

26、t 048hSPSD1 .set 049hDRR11 .set041hDRR21 .set 040hDXR11 .set 043hDXR21 .set042h;McBsp Subaddressed RegistersSPCR1.set00hSPCR2.set01hRCR1.set02hRCR2.set03hXCR1.set04hXCR2.set05hSRGR1.set06hSRGR2.set07hMCR1.set08hMCR2.set09hRCERA.set0ahRCERB.set0bhXCERA.set0chXCERB.set0dhPCR.set0eh.if BSP = 0SPSA.setS

27、PSA0SPSD.setSPSD0RDRR.setDRR10RDXR.setDXR10.endif.if BSP = 1SPSA.setSPSA1SPSD.setSPSD1RDRR.setDRR11RDXR.setDXR11.endifWR_SUB_REG.macro val,addr;写McBsp控制寄存器stm addr,SPSAnopstm val,SPSDnop.endmRD_SUB_REG.macro addr,acc;读McBsp控制寄存器stm #:addr:,SPSAnopldm SPSD,accnopnopnop.endmWAITTRX .macro;等待串口中断WAITR?

28、 RD_SUB_REG SPCR1,A and #1<<1, A bc WAITR?, AEQ .endmPROGREG .macro progword;与AD50二次通讯 stm #01h,RDXR WAITTRX stm #:progword:,RDXR WAITTRX .endm wait .macro STM #0008h, AR0RPT *AR0NOP.endm .mmregs.global _c_int00.sect ".vectors"RESETbd _c_int00stm #2000h,SP.space 19*4*16BRINT0b recvno

29、pnopBXINT0b transnopnop.space 4*4*16BRINT1b recvnopnopBXINT1b transnopnop.space 4*4*16.text_c_int00ld #0h,DPstm #2000h,SPssbx INTMssbx SXM st #2491h,SWWSR st #0ffe0h,PMST st #0f007h,CLKMD stm #4000h,AR1 stm #4000h,AR2 mcbsp_init;初始化McBsp串口 rsbx CPL nop ; cpl latency nop ; cpl latency nop ; cpl laten

30、cy ld #0, DP ssbx INTM ssbx SXM WR_SUB_REG #0000H,SPCR1WR_SUB_REG #0200H,SPCR2WR_SUB_REG #000CH,PCRWR_SUB_REG #0000H,SPCR1WR_SUB_REG #0000H,SPCR2WR_SUB_REG #0040H,RCR1;16 BITsWR_SUB_REG #0004H,RCR2;Ignore FS after the firstWR_SUB_REG #0040H,XCR1;16 BITsWR_SUB_REG #0004H,XCR2;Ignore FS after the firs

31、tld 100,Awaitandm #0ff3fh, 54h;set interrupts to come from serial ports not DMA;by clearing bits 6 and 7 in DMPRECstm #0,RDXRWR_SUB_REG #0001H,SPCR1;启动McBsp串口WR_SUB_REG #0201H,SPCR2ld 100,Awaitaic_initstm #0h,IMRorm #0c00h,IMRstm #0ffffh,IFR PROGREG 0000001100000001b ;76543210 PROGREG 00000100000100

32、00b ;76543210;PROGREG 0104H;二次通讯初始化AD50;PROGREG 0280H;PROGREG 0301h;PROGREG 045Ahld RDRR,Ald RDRR,Astlm A,RDXRstlm A,RDXRrsbx INTMnopnopnopjsnopnopnopb jsrecvldm RDRR,A;读取ADC采样数据ld #0d000h,bsub ar1,bbc record,beq;判断录音是否结束;ld a,b;ld #0,astl a,*ar1+;未结束->录音;ld b,ab play;已结束->放音recordld #0d000h,b

33、sub ar2,bbc load,bneq;录制数据放完，再从头放起stm#4000h,ar2load ld *ar2+,a;加载录制数据playand #0fffeh,a;放音stlm A,RDXRretetransrsbx XFrete.endEX12.MAK/* Code Composer V1 Project Data * The following section contains data generated by Code Composer to store project information like build options, source filenames and

34、mand filenameexperi.cmd 1Project RootD:dsp_user_softsanzhi12语音录放build options3Linker = "-o ex1.out -x "Assembler = "-s "Compiler = "-g -as -frD:dsp_user_softsanzhi "source filesex12.asm 880946490 1-18158dependencies 0 -802version2.0*/-o ex1.out -x"e

35、x12.obj""experi.cmd"/* End of Project Data Generated by Code Composer */Exx.ASMBSP .set 0 ; 5409 DSK audio in/out codec uses McBSP0SAMPLERATE .set 8 .mmregsSPCR1_VAL .set 0000hSPCR2_VAL .set 0200hRCR1_VAL .set 040hRCR2_VAL .set 004hXCR1_VAL .set 040hXCR2_VAL .set 004hPCR_VAL .set 0ChM

36、CBSP0_TO_CODEC0 .set 0xFEMCBSP1_TO_CODEC1 .set 0xFDCODEC1_FC_ON .set 0x8CODEC0_FC_ON .set 0x4CPLD_CTRL2 .set 0x4* McBSP Memory Mapped RegistersSPSA0 .set 038hSPSD0 .set 039hDRR10 .set 021hDXR10 .set 023hSPSA1 .set 048hSPSD1 .set 049hDRR11 .set 041hDXR11 .set 043h* McBSP Subaddresed RegistersSPCR1 .s

37、et 00hSPCR2 .set 01hRCR1 .set 02hRCR2 .set 03hXCR1 .set 04hXCR2 .set 05hSRGR1 .set 06hSRGR2 .set 07hPCR .set 0Eh; Choose appropriate sub-address registers and DRR/DXR .if BSP = 0SPSA .set SPSA0SPSD .set SPSD0RDRR .set 21H ; McBSP0 data receive register 1RDXR .set 23H ; McBSP0 data transmit register

38、1MCBSP_TO_CODEC .set MCBSP0_TO_CODEC0IMASK .set (1 << 4) .endifWR_MCBSP_SUB_REG .macro addr,val stm addr,SPSA nop stm val,SPSD nop .endmRD_MCBSP_SUB_REG .macro addr,acc stm #:addr:,SPSA nop ldm SPSD,acc nop nop nop .endmWAITTRX .macro ; Wait for serial port to Rx wordWAITR? RD_MCBSP_SUB_REG SP

39、CR1,A and #1<<1, A bc WAITR?, AEQ .endmPROGREG .macro progword stm #01h,RDXR WAITTRX stm #:progword:,RDXR WAITTRX .endm wait .macro STM #0008h, AR0 ;AR0 points to ACCLRPT *AR0 ;repeat the # of times specified in ACCLNOP ;do nothing in the delay loop.endm .global RESET,AIC_INIT,WAIT_INT,_CPU_to_codec_ch1,READ_SAMPLES .text .mmregs .def _mainp0_serialflag .set 060hp0_serialint .set 061hSYSTEM_STACK .set 04000h .text_main ld #0, DP ssbx INTM ssbx SXM st #0, p0_serialint st #2491h, SWWSR ;2 wait except for o