【正文】 ......................................................47 附錄 1 DSK5402 開發(fā)板 ...................................................................47 附錄 2 DSP 開發(fā)板原理圖 ................................................................48 外文資料翻譯 .........................................................................................49 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 前 言 音頻信號分析是語音通信、語音識別、語音合成、語音增強等技術(shù)的前提與基礎(chǔ) 。音頻是多媒體中的一種重要媒體 。 音頻信號分析儀是一種用來對被測信號進行 頻率 、 頻譜及波形分析的重要測量工具 [1]。頻譜分析是把信號的能量用頻率的函數(shù)顯示出來 ， 音頻信號分析廣泛應(yīng)用于電聲測量 、 音頻制作 、 信號分析乃至振動測試等領(lǐng)域 。 在 DSP 芯片出現(xiàn)之前 ,頻譜分析是依靠模擬濾波的方法來完成的 , 這類多通道濾波器式頻譜儀有一個明顯的缺點 , 即提高頻率分辨率和帶寬 ,需要增加濾波器的數(shù)目 ,且制作 符合要求的濾波器在工程上比較困難。 科學(xué)發(fā)展到今天，我們可以用許多方法測量一個信號，不管它是什么信號。但信號的變化非常復(fù)雜，許多信息是用示波器檢測不出來的 。 其一是對信號進行時域的采集，然后對其進行傅里葉變換，將其轉(zhuǎn)換成頻域信號。特點是比較快，有較高的采樣 速率，較高的分辨率。但由于其分析是用數(shù)字采樣，所能分析信號的最高頻率受其采樣速率的影響，限制了對高頻的分析。是矢量分析。 另一方法原理則不同。它通過直接接收，稱為超外差接收直接掃描調(diào)諧分析儀。對于音頻信號來說，其主要特征參數(shù)為幅度譜、功率譜。 目前，大多數(shù)音頻信號處理儀不但體積大而且價格貴，在一些特殊方面難以普及使用，而嵌入式系統(tǒng)分析儀具有小巧可靠的特點，所以開發(fā)基于特殊功能單片機的音頻分析儀器是語音識別的基礎(chǔ)，具有很好的現(xiàn)實意義。 信號分析原理是將信號從時間域轉(zhuǎn)換成頻率域 ,使原始信號中不明顯特性變得明顯 ,便于分析處理。該音頻信號分析儀的工作過程為 :對音頻信號限幅放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、快速傅里葉變換 (FFT ,時域到頻域的轉(zhuǎn)換 )、特征值提取 。 音頻分析利用時域分析、頻域分析、失真分析等方法 ,通過測量各類音頻參數(shù)來評價音頻 系統(tǒng)的性能 。 本文利用了頻域分析方法的優(yōu)點 ,實現(xiàn)對一般語音信號幅度、基音頻率等特征信息的實時提取 。采集音頻信號（ 20Hz~20KHz），并使用 FFT等方法對信號的主頻率成分進行實時分析，測量各頻率成分的頻率值和功率值，并顯示在上位機的串口接收軟件中。 系統(tǒng)方案選擇 167。 音頻信號的分析包括兩個方面：一是時域分析，即以時間為自變量，研究音頻信號的時域波形；二是頻域分析，即以頻率作為自變量，在頻域內(nèi)對信號的頻譜進行分析，其基本方法是采用傅立葉變換，將采集到的信號分解為一系列不同頻率的正弦分量的疊加 。 輸入的音頻信號放大后 經(jīng)過 A/D 進行采樣并存儲 ， 然后通過一定的運算處理 最后對信號的主頻率成分進行實時分析，測量各頻率成分的頻率值和功率值，并顯示在上位機的串口接收軟件中。 從實現(xiàn)方式上可分為模擬式與數(shù)字式兩類方案 [2]，下面對兩種方案進行比較： 方案一 ：模擬式頻譜分析儀 模擬方式的頻譜儀以模擬濾波器為基礎(chǔ)，通常有并行濾波法、順序濾波法，可調(diào)濾波法、掃描外差法等實現(xiàn)方法，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的模擬頻譜分析儀設(shè)計方案多為掃描外差法，此方案原理框圖如圖 11： 圖 11 模擬外差式頻譜儀原理框圖 窄帶濾波 器 檢波器 Y 放大器 顯示器 掃描振蕩器 鋸 齒 波 掃 描 器 X 放大器 Ui 混頻器 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 圖中的掃頻振蕩器是儀器內(nèi)部的振蕩源，當掃頻振蕩器的頻率 wf 在一定范圍內(nèi)掃動時，輸入信號中的各個頻率分量 xf 在混頻器中產(chǎn)生差頻信號? ?0 xwf f f?? ，依次落入窄帶濾波器的通帶內(nèi)（這個通帶是固定的），獲得中頻增益，經(jīng)檢波后加到 Y 放大器，使亮點在屏幕上的垂直偏移正比于該頻率分量的幅值。這是目前常用模擬外差式頻譜儀的基本原理。 方案二：數(shù)字式頻譜分析儀 數(shù)字式頻譜儀通常使用高速 A/D 采集當前信號，然后送入處理器處理，最后將得到的各頻率分量幅度值數(shù)據(jù)送入顯示器顯示，其組成框圖如圖 12： 圖 12 數(shù)字式頻譜儀組成框圖 按照對信號處理方式的不同，數(shù)字式頻譜儀可分為以下三種： 這種頻譜儀原理上等同于模擬頻譜儀中的并行濾波法或可調(diào)濾波法，通過設(shè)置多個窄帶帶通數(shù)字濾波器，或是中心頻率可變的帶通數(shù)字濾波器，提取信號經(jīng)過數(shù)字濾波器的幅度值，實現(xiàn)測量信號頻譜的目的，該方法受到數(shù)字器件資源的限制，無法設(shè)置足夠多的數(shù)字濾波器，從而無法實現(xiàn)高頻率分辨率和高掃頻寬度。 例如采用單片機以掃頻方法實現(xiàn)。這種方法的優(yōu)點是掃頻范圍大，硬件成本低廉，但這種方法對 硬件電路要求較高，各模塊性能都需要精心設(shè)計，整體調(diào)試時有一定難度。 FFT 技術(shù)的數(shù)字頻譜儀： 這種頻譜儀利用快速傅里葉變換可以將被測信號分解成分立的頻率分量，達到與傳統(tǒng)頻譜分析儀同樣的結(jié)果。 FFT 技術(shù)的數(shù)字式頻譜分析儀在速度上明顯超過傳統(tǒng)的模擬式頻譜分析儀，能夠進行實時分析。但這種方法在軟件和硬件的設(shè)計和測試上顯然要復(fù)雜很多。 DSP 芯片普遍采用數(shù)據(jù)總線和程序總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)或改進的哈佛結(jié)構(gòu)，比傳統(tǒng)處理器的馮同時可采用 快速傅立葉變換 (FFT)算法， 當 N 較大時， FFT 比直接用 DFT 算法進行的運算提高了 1～ 2A/D 采樣 數(shù)字濾波器 峰值 提取 數(shù)字乘法器 數(shù)字濾波器 峰值提取 數(shù)字乘法器 頻譜圖顯示 DDS 峰值 頻率 Ui 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 個 數(shù)量級 。 167。使用 DSP 的系統(tǒng)可以按處理器使用的數(shù)目分為單處理器系統(tǒng)和多處理器系統(tǒng)。由于 DSP 的控制功能不是非常強大 ,在應(yīng)用中往往不得不把 DSP 作為目標系統(tǒng)專門負責(zé)復(fù)雜的運算 ,而另外使用一個主機(PC 機或是單片機 )對整個系統(tǒng)的運行實行控制。 這里使用單片機作為系統(tǒng)的主控模塊 。 運算部分是完成系統(tǒng)任務(wù)的主要部分 ， 是進行信號處理的核心 。 若使用專用的 FFT 芯片 ， 雖然運行速度高 ， 運算精確 ， 但其用法固定 ， 使用不夠靈活 ， 成本也高 。 167。 圖 14 音頻信號分析儀系統(tǒng)框圖 音頻信號由輸入端進入調(diào)理電路 ,經(jīng)過濾波 ,并將待測信號幅度調(diào)理到RS232 McBSP0 PC 機 MIC 聲卡AIC23B TMS320VC5402 89C51 聲 音 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 適合 A/D 采樣的范圍 ,用 A/D 轉(zhuǎn)換將模擬量采集成數(shù)字量送入控制芯片 ,再由控制芯片對數(shù)據(jù)進行 FFT 得到信號的頻譜 ,再經(jīng)一系列處理 ,采用 LCD 顯示相應(yīng)結(jié)果 . 若只采用單片機作為中心控制芯片 ,可具有控制 靈活簡單、成本低的優(yōu)點 ,但是因音頻信號處理需要大量的數(shù)據(jù)處理運算 ,尤其是 FFT,需要很高的運算速度和存儲空間 ,普通單片機受到晶振和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的限制難以保證在規(guī)定的時間內(nèi)采集到足夠的數(shù)據(jù) 。 本系統(tǒng)采用 TMS320VC5402 作為信號運算的核心 ,通過 12 位 ADC 進行采集 。本系統(tǒng)采用 高度集成 的 AIC23B 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ ADC）部件， 運用 先進的Sigmadelta 過采樣技術(shù)，可以在 8K到 96K 的頻率范圍內(nèi)提供 16bit 的采樣，保證了系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的精度。 TMS320VC5402 是 16 位 的 定點 DSP 芯片，它采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，并集成有豐富的硬件邏輯、外部接口資源和高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 第二章 信號頻譜分析儀的硬件設(shè)計 167。 DSP 芯片特點 在本次設(shè)計中主要用的硬件設(shè)備是 DSP 芯片。諾伊曼結(jié)構(gòu)有更好的指令執(zhí)行 速度。另外它還使用流水線技術(shù)，這樣可以實現(xiàn)多指令的并行執(zhí)行。 CPU 增強的多總線結(jié)構(gòu) ,三條獨立的 16bit 數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線 。連接一個 40bit的專用加法器 ,可用來進行非流水單周期乘 /加 (MAC)運算 。指數(shù)編碼器在一個周期里計算一個 40bit 累加器的指數(shù)值 。數(shù)據(jù)總線具有總線保持特性 [3]。 指令集 ： 支持單指令循環(huán)和塊循環(huán) ， 存儲塊移動指令提供了高效的程序 和數(shù)據(jù)存儲器管理 ， 支持 32bit 長字操作數(shù)指令 ， 支持兩個或三 個操作數(shù)讀指令 ， 支持并行存儲和并行加載的算術(shù)指令、條件存儲指令和中斷快速返回 ，支持定點 DSP C 語言編譯器。 電源 ： 低功耗 ,工作電源有 和 (內(nèi)核 ) ， 用節(jié)電模式的 IDLEIDLE2 及 IDLE3 指令做功率控制 ， 可禁止 CLKOUT 信號。 仿真 ： 符合 邊界掃描邏輯標準的片內(nèi)掃描仿真邏輯接口。TMS320VC5402(以下簡稱 C5402)是德州儀器公司 (TI)1999年 10月推出的性價比極高 (目標價格僅為 5 美元 )的定點數(shù)字信號處理器 (DSP)。與其它 C54X 芯片一樣， C5402 具有高度靈活的可操作性和高速的處理能力。 其結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。它采用 6 級流水線，且當 RPT（重復(fù)指令）時，一些多周期的指令就變成了單周期的指令；芯片內(nèi)部 RAM 和 ROM 可根據(jù) PMST 寄存器中的 OVLY 和 DROM位靈活設(shè)置。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 21 TMS320VC5402 結(jié)構(gòu)圖 TMS320VC5402 作為一種 16 位定點通用 DSP 芯片。 TMS320VC5402 內(nèi)含 4k 字的片內(nèi) Rom 和 16k 字的雙存取RAM、 2 個多通道緩沖串口 MCBSP(MultiChannel Buffered Serial Port) 、1 個 HPI(Host Port Interface)接口 ，它的單周期指令執(zhí)行時間為 10ns、雙電源（ 和 ）供電 。 167。其中： I／ O 采用 3． 3V；核電壓采用 1． 8V供電；系統(tǒng)從 PCI 插槽取 5V 電壓經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換后，供 DSP和其 它 芯片使用。 三 、 電源輸入端跨接一個 10～ 100μF 的電解電容器，為每個集成 回 路芯片配置一個 0． 01μF 的陶瓷電容器。 串行口 McBSP 167。它的主要特點如下 :全雙工的串行通信 。具有外部時鐘輸入或內(nèi)部可編程時鐘兩種時鐘控制方式 。多通道數(shù)據(jù)傳輸 (最多可達 128 個通道 )。用于數(shù)據(jù)壓縮的 μ 律和 A 律壓縮擴展 。 McBSP 包括 6 個引腳 ,分別是串行數(shù)據(jù)發(fā)送信號 DX、串行數(shù)據(jù) 接收信號DR、發(fā)送時鐘信號 CLKX、接收時鐘信號 CLKR、發(fā)送幀同步信號 FSX 和接收幀同步信號 FSR。 VC5402 的 McBSP由 23個寄存器進行控制 ,除了少數(shù)幾個不能由程序訪問之外 ,一般在串口進行數(shù)據(jù)通信之前都要對它們進行初始化 ,部分寄存器是存儲器映射寄存器 ,必須通過子地址的方式進行訪問。 McBSP 接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如下 [5]:在發(fā)送數(shù)據(jù)時 ,首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到 DXR 寄存器中 ,若 XSR 寄存器為空 (說明上一次發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)由 DX引腳送出 ),則將 DXR寄存器中的數(shù)據(jù)拷貝到 XSR寄存器中 。在數(shù)據(jù)從 DXR 寄存器復(fù)制到 XSR 后 ,就可以將下一個要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到 DXR寄存器中 ,因而可以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送。 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 在 VC5402 片內(nèi) ,CPU 與 McBSP 之間的數(shù)據(jù)傳送有三種方式 :查詢方式、中斷方式和 DMA 方式。 CPU 還可以通過串口的接收或發(fā)送中斷事件 ,在中斷服務(wù)程序中完成數(shù)據(jù)的傳送 ,中斷的觸發(fā)事件是 可以選擇的 ,在進行處理之前必須預(yù)先設(shè)置好串口控制寄存器 1(SPCR1)和串口控制寄存器 2(SPCR2)中相應(yīng)的位。 McBSP 的初始化主要完成串口的配置 ,接收和發(fā)送可以分別設(shè)定 ,但要結(jié)合具體的硬件設(shè)計來進行。設(shè)定是單相位還是雙相位幀同步 。設(shè)定傳輸數(shù)據(jù)的字寬 (若為雙相位幀同步 ,每一相位對應(yīng)的字寬可設(shè)為不一 樣 )。設(shè)定數(shù)據(jù)位的延遲 。設(shè)定所選擇的傳輸通道 。 167。在前面的圖 21 中我們可以看到 TM320C5402 有 144 個引腳，主要由中央處理器、內(nèi)部總線控制、特殊功能寄存器、數(shù)據(jù)存儲器 RAM、程序存儲器 OM、 I/O 功能擴展接口、串行口、主機通信接口 HPI、定時器、中斷系統(tǒng)等部分組成。 McBSP0 包括串口 0/1 的數(shù)據(jù)接收時鐘 BCLKR0、串口數(shù)據(jù)接收 BDR0、串口數(shù)據(jù)接收同步信號 BFSR0、串口發(fā)數(shù)時鐘 BCLKX0、串口發(fā)數(shù)端 BDX0、串口發(fā)數(shù)同步信號 BFSX0。片上集成了最大 192kB 存儲空間 (64kB RAM、 64kB ROM、 64kB I/O)，具