SHARC DSP音頻算法開發的調試數據分析

江波

摘 要 SHARC DSP廣泛應用于數字音頻產品中，為分析SHARC DSP音頻算法開發中的調試數據，采用了文件讀寫、數據流、操作數組和存儲空間等4種數據輸入輸出方法，以及在軟件開發平臺VisualDSP++中實現的主要步驟及關鍵代碼。以參量均衡算法為例說明如何用MATLAB對調試數據進行分析。

【關鍵詞】音頻 數據模擬 SHARC DSP VisualDSP++

1 引言

目前很多數字音頻產品都是采用DSP作為信號處理平臺。為降低產品開發難度、加快進度，國內廠家目前使用較多的是基于圖標編程的專用音頻DSP，如ADI公司的ADAU1701 SigmaDSP和TI公司的TAS3108。然而這類基于圖標編程的DSP雖然使用方便，但算法功能卻受限于現有的算法圖標，僅適合較常用的功能，且不同廠家開發的產品易出現同質化的現象。為提升產品的競爭力，有些廠家研究出自己的音頻處理算法，在通用DSP上通過編程實現。ADI公司生產的SHARC系列DSP是數字音頻產品中常用的通用DSP，其軟件開發平臺是VisualDSP++（近年推出了CCES軟件，支持與SigmaDSP開發軟件平臺的互連，目前VisualDSP++還是得到廣泛應用）。在SHARC DSP上調試音頻算法時，除了需將算法通過程序實現外，還需對算法程序調試的調試數據進行分析。以下討論DSP開發平臺上音頻數據輸入輸出模擬的實現方法及如何用MATLAB對調試數據進行分析。

2 音頻數據輸入輸出模擬

常見的DSP音頻信號處理框圖如圖1所示。

其中音頻算法一般需要在DSP軟件開發平臺中先通過軟件仿真的方式進行調試，在這個過程中沒有外部聲音信號輸入，也無法將處理好的聲音信號輸出給外部設備，所以需要對圖1中的信號輸入輸出部分進行模擬。下面討論在VisualDSP++5.0上模擬輸入輸出音頻數據的幾種方法。

2.1 通過文件讀寫進行模擬

通過調用文件操作函數，對WAV、PCM等常用的聲音文件進行讀寫，圖2是操作框圖。

本例程有兩點需要注意：一是WAV文件有44個字節的文件頭，不能作為聲音數據進行處理，因為文件頭有保存文件類型大小等，不是聲音的具體數據；二是在SHARC DSP中各種數據類型的比特數，比如short int/int/float等數據類型均為32比特。

2.2 通過數據流進行模擬

數據流可以模擬通過外部端口或存儲器與DSP處理器進行數據傳輸。在VisualDSP++菜單中選擇“Settings＼Streams＼Add”，彈出圖3所示界面。

共有Source和Destination兩欄，通過對這兩欄的相關參數進行設置即可模擬數據的輸入輸出。

模擬數據輸入：在Source欄設定File路徑，在Destination欄設定Debug target，既可以是各種接口，也可以是存儲器地址。為方便處理，可以在程序中定義一個變量，然后將該變量地址作為接收文件數據的Debug target。

模擬數據輸出：在Source欄設定Debug target，在Destination欄設定File路徑。實際的算法仿真時，可以將保存輸出數據的變量地址作為Debug target，程序運行時系統就會將輸出數據保存到輸出文件中。

數據流模擬時都要使用到數據文件（后綴名為dat），這種dat文件要滿足一定的格式，即將所有數據排成一列，可以通過Matlab或C語言編程對dat文件進行讀寫。更簡便的方法是通過CoolEdit軟件進行dat文件讀寫：若要寫一個dat文件，則先打開一個聲音文件，然后選擇另存，類型選txt，最后寫自己定義的文件名（后綴寫dat）；并將該dat文件中的前面幾行文件頭信息去掉；若要讀一個dat文件，直接打開該文件，然后選定采樣率和數據量化比特數即可。

2.3 通過操作數組進行模擬

以上兩種方法主要模擬數據量較大、無法預存到存儲空間的情況，對于少量數據的情況，輸入數據的模擬可以定義一個輸入數組，用原始聲音數據對其初始化。輸出數據的模擬也可以定義一個輸出數組，將所有處理好的數據都存入這個數組。

輸入數組的初始化有幾種方法，最直接的方法是將所有數據列出來，但對于幾百甚至幾千個數據的情況，顯得頁面不夠簡潔，建議用以下兩種方法。

2.3.1 匯編語言環境下用dat文件初始化數組

首先將原始數據寫入一個dat文件（例如input.dat），然后新建一個asm文件，定義數組名（例如_inputx），選擇存儲區（例如seg_dmda）。以下是相關代碼：

.global _inputx；// 聲明全局變量

.SECTION/DM seg_dmda；// 定義數組存放的存儲區

.VAR _inputx[N]= "input.dat"； // 用input.dat文件的數據對數組初始化

然后在C語言文件中先將_inputx聲明為外部變量：extern int inputx[N]，這樣就可以調用了。這里有兩點需要注意：一是在asm文件中數組名前面有一個“_”，而在C語言文件中則無需加這個符號；二是在C語言中inputx數組的數據類型由input.dat中的數據類型確定，若為float型，則將聲明外部變量語句改為：extern float inputx[N]。

2.3.2 C語言環境下用dat文件初始化數組

2.4 通過操作存儲空間進行模擬

在VisualDSP++菜單中選擇Memory＼Two column，將彈出DM（數據存儲空間）界面，如圖4所示。在空白欄中輸入絕對地址或數組名（例如圖4中的InputData），則在存儲空間欄內將顯示相應地址的內容，此時可以直接查看數據或手動修改相關地址上的數值。在菜單中若選擇Memory＼Three column，則將彈出與圖4類似的PM（程序存儲空間）界面。

也可以在菜單中選擇Memory＼Fill，對某個地址直接填充數據，或通過dat文件對存儲空間的數據進行填充。同樣的，也可以在菜單中選擇Memory ＼Dump，將存儲空間中的數據導出為一個dat文件。

3 調試數據的MATLAB分析

為分析VisualDsp++軟件平臺中音頻算法的調試數據是否正確，選擇上述數據模擬方法將調試數據從DSP開發平臺導出，然后導入MATLAB中進行分析。這里以參量均衡算法為例進行說明。

3.1 參量均衡算法原理

參量均衡器是由一種峰值帶通濾波器，用來調整聲音信號的幅頻特性。參量均衡器的Q值、增益和中心頻率3個參數可調。當增益大小在0dB以上稱為峰值濾波器，反之稱作陷波器（對信號的某一頻段起到衰減的作用）。

3.2 MATLAB數據分析

參量均衡算法DSP軟件實現流程如圖5所示。實驗中所用的音頻數據來自于TIMIT數據庫中NeoSpeech_Ashley.wav（男聲）語音。通過CoolEdit軟件將.wav格式的語音轉換為后綴為.dat格式。

整個實現過程中參量均衡器的參數設置如下：Q值為14，中心頻率w0=1000Hz，濾波器增益G為-6dB。對程序經行編譯后，在VisualDSP++菜單中選擇“Settings＼Streams＼Add”進行數據的導入與導出。采用上述2.2中的方法進行聲音數據的導入與導出，采用上述2.4中的方法導出參量均衡器的濾波器系數。將DSP中參量均衡器的濾波器系數和DSP中經參量均衡器濾波后的聲音數據導入到MATLAB中，并將其與用MATLAB進行計算和處理的結果進行對比，從而來進行判斷DSP算法程序的準確性。

圖6，是MATLAB直接計算和通過DSP計算得到的參量均衡器的幅頻響應圖像，只有通過對MATLAB得到的圖形進行加粗才能看出有兩條曲線。圖7參量均衡器濾波后的聲音數據時域波形圖和幅頻圖，曲線重合，說明了DSP濾波處理得出的輸出結果和用MATLAB仿真得出結果是一致的。

4 結語

在VisualDSP++軟件平臺中用軟件仿真的方式來調試SHARC DSP音頻算法程序時，可以通過文件讀寫或數據流操作的方法模擬大量的數據輸入輸出。對于數據量較少的情況，則可以通過操作數組或存儲空間的方法對輸入輸出數據進行模擬。使用者可以根據自己需求選取適合的數據模擬的方法，從而減少軟件仿真所需要的時間。DSP音頻算法的調試數據可導入到MATLAB中進行分析對比，驗證算法程序是否正確。

參考文獻

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作者單位

廣州大學機械與電氣工程學院 廣東省廣州市 510006