音频信号频谱分析(课程设计正文)

音频信号频谱分析第1页共47页1前言1.1选题背景DSP处理速度快，功耗低，性能好，基于TMS320C5416DSP芯片的语音存储容量大，具有很好的通信音质等特点，因此被广泛应用于很多领域中。本设计实现的语音分析系统具有如下优点：1．音频数据占用资源少2．音质通信级3．开发难度低4．语音芯片与DSP接口电路简单5．体积小在论文完成过程中，我首先在图书馆查阅相关书籍研究如何进行基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放器的方案设计，然后对系统内部所需要的各个模块进行设计并对芯片做了详细研究；其次参阅相关资料在计算机和实验板上进行应用软件的设计、编程与调试，然后在老师指导下进行硬件与软件的联合调试；最后自己对毕业设计资料进行整理，总结，完成毕业设计论文。在整个设计过程中，本文首先介绍了基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放系统的工作原理，给出了整体设计方案和工作框图，然后给出了系统的硬件设计方案；在硬件设计中，我们采用了TLV320AIC23芯片为核心音频录放接口器件，结合TMS320C5416DSP芯片，语音数据存储FLASH存储器等基本完成了语音录放器硬件的设计过程；最后介绍了基于TMS320C5416DSP芯片的语音录放系统的软件设计，软件部分主要是在CCS环境下用C语言编程实现。将外部输入的模拟语音信号，经由高保真语音芯片TLV320AIC23进行采样后保存在外扩存储器存储空间中，然后这些存储的数字语音信号经过DSP带缓冲串口MCBSP2读入DSP，经过FIR数字低通滤波器滤除语音信号中高频部分及其它噪声，最后对这些语音信号的FFT变换。该语音分析系统的设计能够完成语音采集，播放，存储，频谱分析，基本实现了语音分析功能。随着技术的进步，TMS320C5416DSP与TLV320AIC23的结合的语音编码方案音频信号频谱分析第2页共47页将会有更好的应用前景。1.2设计目的DSP课程设计是对《数字信号处理》、《DSP原理及应用》等课程的较全面练习和训练，是实践教学中的一个重要环节。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。本题目通过TLV320AIC23采集音频信号(f.max10kHz)，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*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TLV320AIC23接口电路的原理图绘制；2、DSP控制TLV320AIC23的程序编写与调试；3、TLV320AIC23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。音频信号频谱分析第3页共47页2语音分析器的技术方案及硬件电路设计在当今的数字化时代背景下，DSP已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件，是集成电路中发展最快的电子产品，并成为电子产品更新换代的决定因素。DSP芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域，而且DSP技术也正以极快的速度被应用在通信、电子系统、信号处理系统等许多领域中。基于TMS320C5416DSP芯片的语音分析器的设计系统的主要功能对语音信号进行采样滤波后FFT变换，然后观察其频谱分布。通过该分析器可观察到语音信号频谱特征的观察，从而为语音的编解码，压缩，解压缩，语音编码，语音识别语音合成，语音增强等实时语音处理方法的实现及参数的选取提供依据。本系统是一个数字信号处理系统，是电子技术、信号处理技术与计算技术相结合的产物，也是一个软硬件结合的系统。2.1语音分析器的性能指标和硬件方案2.1.1语音分析器的主要性能本设计实现的语音录放器具有如下主要性能：1．由于语音信号的频率范围为300Hz-3400Hz（人说话声音）或20Hz-20kHz（音乐，占音频信号全频率），根据采样定理，为保证信息不失真，确定系统的采样频率为8KHz或96kHz;2．结合系统采用的TMS320C5416芯片处理速度以及信号采样频率的要求，采用TLV320AIC23芯片作为系统的A/D转换芯片;3．根据上述技术指标确定TMS320C5416系统的外围接口方式。本设计实现的语音分析系统具有如下优点：1．音频数据占用资源少2．音质通信级高3．开发难度低4．语音芯片与DSP接口电路简单5．体积小音频信号频谱分析第4页共47页2.1.2硬件设计方案DSP技术在音频处理领域的应用越来越广。目前，在很多语音处理系统中都用到了语音分析模块，采集现场的声音并存储起来对语音信号的频谱特征进行观察，为确定最佳的语音压缩的方法和参数的选择提供依据。语音处理系统的实时性、功耗、体积、以及对语音信号的保真度都是很影响系统性能的关键因素。本系统用DSP芯片TMS320C5416与音频编解码芯片TLV320AIC23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、播放、存储、回放。本系统包括音频采集、DSP对语音信号的处理、Flash存储三部分。系统结构如图2-1所示:TLV320AIC23TMS320C5416DSPFlash存储MCBSP０数据接口　控制接口MCBSP1线路输入麦克输入图2-1总体设计图TMS320C5416作为主芯片实现语音信号采集、存储和各模块之间的通信等控制，其主要功能有：上电自举，将采集压缩后的音频信号存储在Flash中。TLV320AIC23的语音信号输入可以是麦克输入也可以是线路输入，这可以通过配置寄存器选择。当能过麦克输入人的说话声时，综合人声的频率、数据量大小的要求，采样频率不需要太高，设定为8KHz比较合适。实验证明，在这个采样频率下能清晰地采集、回放人的说话声，并且具有较好的保真度。当输入为音乐或歌曲的线路输入时，为了保证音质不失真，采样频率可以设定为96KHz。在总体设计图中，TLV320AIC23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；TMS320C5416DSP芯片有三个MCBSP(多通道缓冲串口)，MCBSP0和MCBSP1可完成对TLV320AIC23的控制，MCBSP0为语音数据接口，完成语音数据的交换—数据发送与接收，MCBSP1为数据控制接口，主要对TLV320AIC23写控制字；语音数据存储模块选音频信号频谱分析第5页共47页用Flash存储器，它是一种可在线进行电擦写可快速访问，掉电后信息不会丢失的非易失性存储器，具有可靠性稳定性，低成本低功耗，高密度大容量可达几个GB，抗震性，尺寸小重量轻等多种先进特性，烧录技术以Flash闪存为载体进行读取和存储。该系统的工作原理是：语音信号通过话筒从线路或麦克输入口输入音频信号送到TLV320AIC23中，TLV320AIC23控制芯片内寄存器，使输入的音频信号进行A/D转换，一方面将转换得到的数字语音信号送到TMS320C5416DSP的Flash存储器暂存起来，每收够一帧就调用语音压缩程序进行编码，编码后得到的数据被TMS320C5416DSP送到Flash存储器存储起来；另一方面调用语音滤波和FFT变换程序对语音数字信号进行分析。放音时，先从Flash存储器中读出压缩数据送到DSP中，TMS320C5416DSP调用解压缩程序还原出语音信号，还原后的语音信号通过耳机发送出来。2.2语音分析系统的硬件电路设计本设计采用的高速TMS320C5416芯片（该芯片的用途和优点及结构功能在后面的器件选择中有详细阐述），最高频率能达到160MIPS，能够很好的解决系统的实时性；采用的数字编解码芯片TLV320AIC23(该芯片的用途和优点及结构功能也在后面的器件选择中有详细阐述)具有16~32位采样精度。因此，该音频编解码芯片与TMS320C5416DSP的结合是可移动数字音频录放系统、现场语音采集系统的理想解决方案。语音分析器的具体实现原理图见附录。TMS320C5416有3个MCBSP(多通道缓冲串口)。可以方便地利用其中2个MCBSP完成对TLV320AIC23的控制和通信。TLV320AIC23芯片是一个可编程芯片,内部有11个16位寄存器,控制接口具有SPI和I2C工作方式,这两种工作方式由MODE引脚(MODE为串行接口输入模式选择引脚)来选择,即:MODE=0为I2C模式;MODE=1为SPI模式。TLV320AIC23有独立的控制接口和数据接口，控制口用于接收控制器的命令字，数据接口与DSP完成语音数据的交换。TLV320AIC23的工作时钟由外接的一个11.2896M的晶振提供。DSP的工作时钟是由12M外部晶振提供。本系统用到了利用C5416DSP的MCBSP0和MCBSP1，分别与TLV320AIC23的控制和数据接口相连。C5416DSP与TLV320AIC23的接口电路如图2-2所示。音频信号频谱分析第6页共47页TMS320C5416DSPBCLKX0BDX0BFSX0BCLKX1BDR0BFSR0BDX1BFSX1TLV320AIC23BCLKDINLRCINDOUTLRCOUTSCLK/CSXTI/MCLK耳机输出线路输入麦克输入图2-2TMS320C5416DSP与TLV320AIC23的接口电路框图2.2.1TMS320C5416DSP数字信号处理接口电路模块系统采用的主芯片是TI公司的一款16位定点DSP：TMS320C5416(以下简称C5416)，主要是考虑到C5416片内具有128K*16位的内部RAM，这对提高系统总体性能和集成度有很大的帮助。另外C5416还具有3个MCBSP多通道缓冲串口，该串口与SPI器件兼容，提供多达128个发送和接收通道。与其他C54xDSP芯片一样C5416具有功耗低、运算速率高、性价比高的优点。另外C5416具有如下特点：当核电压为1.6伏特时的工作频率可达到160MIPS；能访问64K数据存储空间、64KI/O空间、以及192K程序存储空间。TMS320C5416作为主芯片实现语音信号采集、存储和各模块之间的通信等控制，其主要功能有：上电自举，读取键盘值并初始化音频编码芯片和液晶屏，控制TLV320AIC23并通过液晶屏显示TLV320AIC23的工作状态，将采集压缩后的音频信号存储在Flash中。TMS320C5416通过以下引脚与TLV320AIC23连接。BCLKX0/BCLKX1:缓冲串口0和1的发送时钟,用于对来自缓冲串行口发送移位寄存器和传送至数据发送引脚的数据进行定时；BDX0/BDX1:缓冲串行口数据发送端,来自缓冲串行口发送移位寄存器中的数据经该引脚串行发送；BFSX0/BFSX1:用于发送输出的帧同步脉冲；BDR0:缓冲串行口数据接收端；BFSR0:用于接收输入的帧同步脉冲；X2/CLKIN:由晶振接到内部振荡器的输入引脚。TMS320C5416与FLASH存储器连接时，DSP采集到的32位语音数据通过外部数据总线的低8位分4次，从左声道的高8位到右声道的低8位依次写入Flash。DSP提供工作时钟由外接的一个晶振提供，DSP的工作时钟是5倍频后的时钟：56.488M。音频信号频谱分析第7页共47页TMS320C5416主电路模块电路如图2-3所示。1234ABCD4321DCBACVSS1A222CVSS3DVDD4A105HD76A117A128A139A1410A1511CVDD12HAS13DVSS14CVSS15CVDD16HCS17HR/W18READY