DSP课程设计音频信号频谱分析论文

音频信号频谱分析摘要数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行分析、采集、合成、变换、滤波、估算、压缩、识别等加工处理，以便提取有用的信息并进行有效的传输与应用。与模拟信号处理相比，数字信号处理具有精确、灵活、抗干扰能力强、可靠性高、体积小、抑郁大规模集成等优点。基于TMS320C5416DSP芯片的音频信号频谱分析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，然后通过LCD观察其频谱分布。本设计通过C语言编程来实现系统的功能。关键词：DSP；信号；频谱；FFT；LCD音频信号频谱分析目录1绪论..............................................................11.1设计目的...................................................11.2设计要求....................................................12设计原理..........................................................22.1TMS320C54x芯片简介..........................................22.2TLV320AIC23芯片简介.........................................32.312864LCD液晶显示屏简介......................................43系统总设计方案....................................................44系统模块设计......................................................44.1语音信号采集模块............................................44.2语音信号处理模块............................................64.3LCD显示模块.................................................75设计结果显示......................................................86设计心得.........................................................10参考文献...........................................................11致谢...............................................................12附录设计程序......................................................13音频信号频谱分析第1页共24页1绪论1.1设计目的1.熟悉TLV320AIC23的接口和使用；2.熟悉McBSP多通道缓冲串口配置为SPI模式的通信的应用；3.掌握一个完整的语音输入、输出通道的设计；4.熟悉A/D转换的基本原理；5.加深对DFT算法原理和基本性质的理解；6.熟悉FFT算法原理和FFT子程序的应用；7.学习用FFT对连续信号和时域信号进行谱分析的方法，了解可能出现的分析误差及其原因，以便在实际中正确应用FFT；8.了解LCD显示的基本原理；9.学习用TMS320C54XDSP芯片控制LCD的基本方法和步骤。1.2设计要求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TLC320AIC23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TLC320AIC23接口电路的原理图绘制；2.DSP控制TLC320AIC23的程序编写与调试；3.TLC320AIC23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；音频信号频谱分析第2页共24页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2.1TMS320C54x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(DARAM)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/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音频信号频谱分析第3页共24页算,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2-1TMS320C54x内部结构示意图2.2TLV320AIC23芯片简介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。TLV320AIC23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。TLV320AIC23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的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的音频信号频谱分析第4页共24页输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。2.312864LCD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、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: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TLV320AIC23。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TLV320AIC23TMS320C5416DSP12864LCD音频信号输入数据接口控制接口音频信号频谱分析第5页共24页芯片构成简单，功能强大。TLV320AIC23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。TLV320AIC23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。TLV320AIC23通过以下引脚与TMS320C5416连接。BCLK:I2S(一种TLV320AIC23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TLV320AIC23为主模式时BCLK由TLV320AIC23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:I2S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TLV320AIC23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,TLV320AIC23内部时钟由它产生。TLV320AIC23的工作时钟由外接的一个11.2896M的晶振提供，TLV320AIC23从电路模块电路如图4-1所示。1234ABCD4321DCBAY312MC2320PC2420PC2110UBVDD1CLKOUT2BCLK3DIN4LRCN5DOUT6LRCOUT7HPVDD8LHPOUT9RHPOUT10HPGND11LOUT12ROUT13AVDD14AGND15