基于DSP的语音处理系统的设计

基于D S P的语音处理系统的设计The Standardization Office was revised on the afternoon of December 13, 2020Cadence SPB基于DSP的语音处理系统的设计摘要近年来，随着DSP技术的普及和低价格、高性能DSP芯片的出现，DSP已越来越多地被广大的工程师所接受越来越广泛地被应用于各个领域，并且已日益显示出其巨大的优越性。

DSP是利用专门或通用的数字信号处理芯片，以数字计算的方法对信号进行处理，具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小及可靠性高等优点，满足了对信号快速、精确、实时处理及控制的要求。

本次设计基于TLV320AIC23和TMS320VC5416两种芯片设计并实现了一种语音录音、语音编码、语音解码、语音处理和回放的系统。

通过软件和硬件结合对该系统进行设计，使本次设计的语音处理系统具有强大的数据处理能力并配有灵活的接口电路，可以作为一种语音信号处理算法研究和实时实现的通用平台，对语音编码在DSP上的实时实现进行了简单的研究，从而掌握了算法移植的一般流程，为能够在高速DSP硬件平台设计及系统应用开发方面取得成功奠定基础。

关键词：DSP；数据采集； TLV320AIC23；TMS320VC5416。

目录摘要 I 第1章绪论 1 DSP的发展及应用 1 语音信号处理系统概述 2 第2章 DSP芯片介绍 3 TLV320AIC23简介 3 TMS320VC5416简介 3 第3章系统设计 4 系统硬件设计 4 系统结构框图 4 DSP处理器 5 A/D电路 5 D/A电路 7 系统软件设计 10 TMS320VC5416初始化 10 TLV320AIC23初始化 10 第4章总结 11 参考文献 12 致谢 13 附录 14 第1章绪论近年来，在数字信号处理领域有着绝对优势的DSP技术得到了迅速发展，不仅在通信计算机领域大显身手，并已逐渐渗透到人们日常消费领域。

正因为如此，DSP应用越来越得到普遍重视。

DSP作为可编程数字信号处理专用芯片是微型计算机发展的一个重要分支，也是数字信号处理理论实用化过程的重要技术工具。

DSP器件分为两大类：一类是专门用于FFT、FIR滤波、卷积等运算的芯片，称为专用DSP器件；另一类是可以通过编程完成各种用户要求的信息处理任务的芯片，称为通用数字信号处理器件。

DSP的发展及应用最初的DSP器件只是被设计用以完成复杂数字信号处理算法。

这可以追溯到20世纪50年代到60年代，那时数字信号处理技术刚刚起步。

由于一般的数字信号处理算法运算量大，因此，算法只能在大型计算机上进行模拟仿真，无法实现数字信号处理。

60年代中期，快速傅里叶算法的出现及大规模集成电路的发展，奠定了硬件完成数字信号处理算法和数字信号处理理论实用化的重要技术基础，从而促进了近40年来DSP技术与器件的飞速发展。

通用DSP器件的发展可分为三个阶段：第一阶段（1980年前后），DSP雏形阶段。

第二阶段（1990年前后），DSP的成熟阶段。

第三阶段（2000年以后），DSP的完善阶段。

目前，DSP的发展非常迅速。

硬件结构方面主要是向多处理器的并行处理结构、便于外部数据交换的串行总线传输、大容量片上RAM和ROM、程序加密、增加I/O驱动能力、外围电路内装化、低功耗等方面发展。

软件方面主要是综合开发平台的完善，使DSP的应用开发更加灵活方便。

目前，DSP芯片的价格越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。

DSP芯片的主要应用：①信号处理——数字滤波，自适应滤波，快速傅里叶变换，相关运算，频谱分析，卷积，波形产生等；②语音处理——语音编码，语音识别，语音合成，文本—语音转换等；③图象图形处理——三维图形转换，机器人视觉，图象转换及压缩，模式识别，图象增强等；④控制——司服控制，机器人控制，自适应控制，神经网络控制等；⑤军事——保密通信，雷达及声音信号处理，导航及制导，调制解调，全球定位，搜索与跟踪等；⑥仪器仪表——频谱分析，函数发生器，模态分析，暂态分析等；⑦通讯——回音相消，高速调制解调器，数字编码与解码，自适应均衡，移动电话，扩展通讯，噪音对消，网络通讯等；⑧消费电子——高清晰度电视，音乐合成器，智能玩具，游戏等；⑨医学——助听器，病员监控，超声波设备，自动诊断设备，胎儿监控等。

语音信号处理系统概述语音处理在现代通信中应用非常广泛，主要有语音编码、语音识别、语音合成、语音邮件、语音存储等。

典型的语音处理系统如下图所示：图典型的语音处理系统图中的输入信号可以有各种各样的形式。

例如，它可以是麦克风输入的语音信号或是电话线已调的数据信号，可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里德摄像机图象信号等。

输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行A/D变换将信号变成数字比特流。

根据奈奎斯特抽样定理，为保证信息不丢失，抽样频率至少是输入带限信号最高频率的2倍。

DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号。

DSP芯片对输入的数字信号进行某种处理。

数字处理是DSP系统的关键，这与其它系统（如电话交换系统）有很大的不同。

在交换系统中，处理器的作用是进行路由选择，它并不对输入数据进行修改。

因此两者虽然都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大不同。

最后，经过处理后的数字样值再经D/A变换转换为模拟样值。

之后进行内插和平滑滤波就会得到连续的模拟波形。

上面给出的典型的DSP语音处理系统，根据不同的用途应有不同的变动。

第2章 DSP芯片介绍 TLV320AIC23简介TLV320AIC23（简称AIC23）是TI公司的一款高性能Codec芯片。

主要特性有：内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN两种输入方式（二选一）。

且对输入和输出都具有可编程增益调节；芯片中的A/D转换器和D/A转换器采用多位的Sigma-Delta技术，数据传输字长为16、20、24、32bit，采样率为8kHz ~96kHz；在采样率为96kHz情况下A/D转换器信噪比达到90dB，D/A转换器达到100dB；回放模式下功率为23mW，省电模式下更是小于15uW；只占用25mm的面积。

基于上述优点，AIC23是可移动的数字音频播放和录音使用中的模拟输入输出等应用系统的理想选择，例如MP3播放器等。

TMS320VC5416简介 TMS320VC5416（以下简称VC5416）是TI公司的一款16bit定点高性能DSP，是TMS320VC54x系列中的第3代芯片。

主要特性有：速率最高达160MI/s；3条16bit数据存储器总线和1条程序存储器总线；1个40bit桶形移位器和2个40bit累加器；1个17×17乘法器和1个40bit专用加法器；最大8M×16bit的扩展寻址空间，内置128k×16bit的RAM和16k×16bit的ROM；3个多通道缓冲串口（McBSP）；配有PCM3002，可对语音进行A/D 和D/A转换。

由于VC5416功耗低，性能高，其分开的数据和指令空间使该芯片具有高度的并行操作能力，在单周期内允许指令和数据同时存取，再加上高度优化的指令集，使得该芯片具有很高的运算速度并且该芯片本身具有丰富的片内存储器资源和多种片上外设，因此在工程界得到广泛应用，尤其是在语音编码和通信应用方面。

第3章系统设计系统硬件设计系统结构框图音频系统应该具有较宽的动态范围，选择16~24位的ADC和DAC能完全捕获或恢复高保真的音频信号。

系统的核心芯片(DSP)选用美国TI公司的TMS320VC5402[1](以下简称C5402)。

DSP芯片模块是整个实时语音处理系统的核心部分，它对经数字化的信号进行压缩，编解码等。

A/D转换模块功能是把模拟信号数字化，包括采集和量化，这部分为DSP处理语音数字信号做好了准备；D/A转换模块就是把数字信号转换为模拟的信号，输出音频信号。

SDRAM（动态随机存储器）存储器模块主要是为DSP处理器扩展存储容量，达到要求的存储容量；但要注意的是要与DSP处理器的速度相匹配，以便良好的运行。

电源模块是为内部芯片及周边系统电路提供能量的部分。

系统结构框图图如下所示：图系统结构框图 DSP处理器作为DSP家族高性价比代表的16位定点DSP芯片，C5402适用于语音通信等实时嵌入应用场合。

与其它C54X 芯片一样，C5402具有高度灵活的可操作性和高速的处理能力。

其性能特点如下：操作速率可达100MIPS；具有先进的多总线结构，三条16位数据存储器总线和一条程序存储器总线；40位算术逻辑单元(ALU)，包括一个40位桶形移位器和两个40位累加器；一个17×17乘法器和一个40位专用加法器，允许16位带/不带符号的乘法；整合维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度；单周期正规化及指数译码；8个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用业界最先进的定点DSP C语言编译器；数据/程序寻址空间为1M×16bit，内置4K×16bit ROM 和16k×16bit RAM；内置可编程等待状态发生器、锁相环(PLL)时钟产生器、两个多通道缓冲串口、一个与外部处理器通信的8位并行HPI口、两个16位定时器以及6通道DMA控制器且低功耗。

与C54X系列的其它芯片相比，5402具有高性能、低功耗和低价格等特点。

它采用6级流水线，且当RPT(重复指令)时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令；芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置。

这些都有利于算法的优化。

C5402采用和电源供电，其中I/O采用电源供电，芯片的核采用电源供电。

而实际常用的只有5V电源，所以必须采用电源转换芯片。

选用TPS7301和TPS7333两块电源转换芯片(它们都是TI公司为配合DSP而设计的电源转换芯片)，分别接上适当的外围电阻，构成电阻分压器，即可调整两块芯片的输出电压分别为和。

A/D电路 PCM1800是双声道单片Δ－Σ型20位ADC，单+5V电源供电，信噪比为95dB，动态范围为95dB，其内部嵌有高通滤波器，具有PCM音频接口和四种数据格式，分为主控和受控两种模式，采样频率可选为32kHz、和48KHz。

PCM1800构成音频信号采集系统时，主要涉及到BCK(位时钟信号)、LRCK(采样时钟信号)、FSYNC(帧同步信号)、DOUT(数字信号输出)、SYSCLK(系统时钟输入)这几个对时序有要求的引脚。

通过对引脚MODE0和MODE1进行编程，可让PCM1800工作于主控模式(Master Mode)。