基于DSP的語音采集回放處理系統的設計

代淑芬

摘 要：DSP語音采集回放處理平臺是以TMS320C5402DSP為核心，對外部語音信號進行采集，并對所采集信號進行語音處理，最后通過外部設備回放。該系統適合對單語音信號進行處理。由于設計過程中采用的A/D、D/A芯片是TI公司的TLC320AD50，所以最高采樣速率為22.05KHZ。為了驗證本次設計的正確性和可用性，對采集的語音信號進行FIR濾波，濾除50HZ交流信號，并抑制頻率在3600HZ以上的語音信號。所設計的濾波器是帶通濾波器，通帶為200HZ—3400HZ，經過實驗驗證，得到了預期的濾波效果。

關鍵詞：DSP；語音采集；電路

1 系統方案的設計

本系統是基于TMS320VC5402 DSP的最小系統設計，通過標準同步串口實現DSP與AD50之間的數據通信，結合模擬濾波電路、模擬放大電路和功放電路，并在此基礎上實現對語音信號的FIR濾波，以驗證該系統的可用性、可靠性、穩定性及其實用性。

1.1 系統方案選擇

系統模塊主要有：基于TMS320VC5402芯片最小系統電路、電源。AD和DA屬于子板內容。

設計時基于系統的實用性和可擴展性考慮，對DSP的數據線和地址線，HIP口，串行口，都引出引腳以備擴展用，電源的設計也考慮到了后面子板的需要。

1.2 系統硬件設計

1.2.1 系統框圖

系統設計以DSP芯片為核心，對其各個接口進行擴展，圖1為系統框圖 。

圖1 系統框圖

1.2.2 電源設計

TMS320C5402的I/O工作電壓是3.3V，因此，其I/O電平也是3.3V邏輯電平。在設計DSP系統時，除了DSP芯片外，必須設計DSP芯片與其他外圍芯片的接口，如果外圍芯片的工作電壓也是3.3V，那么就可以直接連接。本次設計在系統一開始構建時就考慮到這問題，為了使設計簡單化，節省制作時間，在器件的選用上，都采用3.3V的。

1.2.3 復位電路

系統上電后，晶體振蕩器一般需要100～200ms的穩定期，同時DSP芯片也正處于復位狀態。為使芯片初始化正確，一般應保證為低至少持續3個CLKOUT周期。

1.2.4 時鐘電路

給DSP芯片提供時鐘是利用DSP芯片內部所提供的晶振電路，在DSP芯片的X1和X2/CLKIN之間連接一個晶體起動內部振蕩器。

1.2.5 JTAG接口

DSP芯片內部是通過移位寄存器掃描鏈實現掃描仿真，這個掃描鏈被外部的串行口訪問。采用掃描仿真，即使芯片已經焊在電路板上，也可以進行仿真調試，這對于調試DSP系統帶來極大的方便。C5402 DSP的仿真器接口采用JTAG標準IEEE 1149.1。目標代碼通過掃描接口從PC下載到目標系統的存儲器中，一般下載1K字節的代碼需要100ms。

1.2.6 存儲器接口

此次設計對存儲器進行擴展，因為C5402具有20條地址線，所以映射程序空間最大為16頁（64K16bit/頁），即1024K16bit的空間大小。當OVLY=1時，第一頁至第15頁的低端16K16bit是映射到第0頁上的相應地址處；當OVLY=0時，這些頁是獨立的。

1.2.7 串行口與A/D/A的接口

TMS3205402有兩個串行口，每個串口都有數據接收、發送端，接收、發送時鐘信號，還有接收、發送同步信號。通過這些端口對TLC320AD50進行控制，就能夠實現DSP與外部數據的交流。TLC320AD50C是TI公司的語音編碼芯片，作A/D，D/A轉換用。片內采用∑-△轉換方法，16位線性編碼，最高采樣率可達22.05KHz。本設計用8KHz采樣，在語音信號中是足夠的，內置時鐘分頻及PLL電路組成可編程采樣率發生器，使用8.192MHz有源晶振作時鐘源。

1.2.8 外部功放

外部通過麥克風對語音進行采集，對采集到的語音進行濾波，放大，再將處理過的信號送入A/D，通過D/A將語音送到功放，最后經過耳機送出。

1.2.9 FIR濾波器的設計

數字濾波是語音和圖像處理、模式識別、譜分析等應用中的一個基本的處理算法。與模擬濾波相比，數字濾波具有很多突出的優點，例如它可以滿足濾波器對幅度和相位特性的嚴格要求，可以避免模擬濾波所無法克服的電壓漂移、溫度漂移和噪聲等問題。用DSP芯片實現數字濾波除了具有穩定性好、精度高、不受環境影響等優點外，還具有靈活性好的特點。本次設計的是FIR濾波器。首先通過MATLAB進行FIR濾波器的設計，求出濾波器系數。具體做法如下：

通過MATLAB中的濾波器設計工具箱，進行參數設置。主要處理的是語音信號，因為信號中含有50HZ的交流信號，要把這部分信號濾掉，因此采用帶通濾波。通帶為60HZ—3400HZ。采樣頻率Fs=8KHZ，第一截止頻率Fstop1=60HZ，第一通帶頻率Fpass1=200HZ，第二通帶頻率Fpass2=3400HZ，第二截止頻率Fstop2=3600HZ。 濾波系數求出后，可設計該濾波器。在C54X系列的DSP中用macd指令完成卷積運算。

2 系統調試

2.1 調試方法

電路設計時各系統里模塊分明、信號流向清晰，因此調試時按照信號流向進行調試，分模塊校準，具體為先按信號流向順序后整機參數較檢的方法測試參數數據，提高了調試效率。

2.2 硬件調試

首先，檢查電源電路。先檢查電源與地、電源與電源之間有沒有短路；再上電檢查，用萬用表測試各電源電壓。無誤后檢查各芯片電源引腳的電壓準確性。

第二，確保電源無誤，焊接DSP芯片及其基本外圍電路復位、時鐘和XF測試燈LED。確保引腳間不短路后，上電測試DSP芯片時鐘輸出端時鐘狀態正確性，然后編寫一個簡單的測試程序驗證DSP芯片的工作情況，讓XF測試燈閃爍。

第三，完成以上兩個步驟后再逐個焊接其他貼片芯片并逐個檢查驗證無誤后最后再焊接插針等擴展接口。

第四，對子板的調試。為了保證采集到的信號能夠減少干擾，并對信號放大10倍，在開始設計的時候單獨制作該部分電路。在調試的過程中，濾波電容和耦合電容的接入是很必要的。在信號線經過的線路，要盡量的短，線盡量粗。目的是減少不必要的干擾，實驗證明效果很好，語音很清晰。

第五，A/D、D/A模塊的調試。在調試的過程中，先在A/D的輸入端輸入一正弦波，f<8KHZ，電壓不大于1V，在D/A的輸出端用示波器觀察輸出，可看到一個與輸入頻率相同的正弦波，但幅值稍有不同。要注意的是，這部分電路在調試時要單獨調試，不要與前端運放相連。因為信號經過運放后，波形已經有一定的失真，不好觀察A/D、D/A的效果。

2.3 軟件調試

軟件調試使用CCS2.0 DSP開發軟件。調試時以C語言編程為主，結合簡單的C與匯編混合編程。測試XF引腳的工作狀態。用指令“asm（“ ssbx xf”）和asm（“ rsbx xf”）”對XF引腳操作。AD數據采集。AD50能達到22.05KHZ的采樣率。

對采集到的語音信號進行FIR濾波運算。程序采用中斷的方法。主程序一直在等待中斷，當有新數據到達DRR端時，觸發中斷，調用中斷程序，并運行中斷程序。通過CCS2.0觀察比較濾波前后的波形，可以看到語音經過FIR濾波后， 200Hz以下的信號被明顯的抑制，降低了二十幾個dB，并且3600Hz以上的頻率分量明顯被抑制。

3 結語

本次設計硬件上完成了一個基于TMS320C542芯片的單通道語音信號處理平臺的設計，包括電源電路、復位電路、時鐘電路，子板包括A/D/A與DSP的接口電路、濾波電路、放大電路。并在此平臺上用FIR濾波算法對語音信號進行濾波處理，經過測試，證明了本系統板的開發集可用性、實用性、可靠性、穩定性和靈活性于一身，為普通用戶提供了一個實用的DSP開發平臺。系統開發空間大，接口方便，使用靈活，便于用戶擴展功能。

參考文獻：

[1] 魏一.淺析安防芯片技術的應用和發展[J].中國安防.2010（06）：42-44.

[2] 李純靜，沈保鎖.ITU-T G.723.1語音編碼算法分析及優化策略[J].電子測量技術.2007（09）：104-106.

[3] 胡濤，陳超.TLV320AIC23B與TMS320DM642的接口設計[J].儀表技術與傳感器.2006（06）：36-37.

[4] 曹華，周德新.G.729標準與G.723.1標準編碼方法區別的研究[J].信息技術.2005（08）：146-148.

[5] 崔慧娟.數字信號處理器 第五講 G.729A語音編碼TMS320VC5416 DSP實時實現（下）[J].世界電子元器件.2005（07）：37-40.

[6] 徐淑正 ，汪蕙 ，楊華中 ，等.TMS320C30與A/D和D/A接口的設計[J].電子技術應用.2002（06）：78-80.

[7] 喬春霞.基于DSP的語音信號實時采集與處理的研究[J].科技信息.2010（20）：628-629.

[8] 李世軍，郭照南，黃鋒，等.基于DSP的數字語音采集系統的設計[ J].湖南工程學院學報： 自然科學版.2009（03）：14-16.

[9] 劉煒彬.基于DSP的語音系統設計[J].黑龍江科技信息.2009（30）：43.

[10] 段麗娜.淺談DSP技術的應用和發展前景[J].科技風.2010（24）：.

[11] 韓萌，劉晟.淺談DSP技術的應用和發展前景[J].科技信息.2009（24）：148.

[12] 鄧彥松，向偉，王丹.基于DSP的語音信號處理系統設計[J].中國集成電路.2007（04）：43-45.

[13] 蔣永生，張雄偉，曾宏輝.一種基于DSP的語音處理系統軟硬件設計[J].電力系統通信.2007（11）：56-58.

[14] 王彬生，劉梅鋒.基于DSP的語音采集與回音效果的系統實現[J].電子元器件應用.2007（10）：36-38.

[15] 張桂香，高愛國.語音信號采集和處理方法的研究[J].高師理科學刊.2007（02）：38-40.

[16] 周開利.基于子波變換的語音信號壓縮[J].海南大學學報： 自然科學版.2002（02）：102-103.

[17] 屈丹，王炳錫.語音信號元音檢測的新方法[J].聲學學報.2003（01）：17-20.