语音信号采集与处理系统的设计.doc

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音频信号采样与处理系统方案设计

音频信号采样与处理系统方案设计

姓名：

杨宁

学号：

14020181051

专业：

电子信息工程

学院：

电子工程学院

指导老师：

那彦

目录

第1章理论依据 2

1.1音频信号的介绍 2

1.2采样频率 2

1.1TMS320VC5402介绍 2

1.2TLC320AD50介绍 6

第2章系统方案设计 8

2.1DSP核心模块的设计 8

2.2A/D转换模块 9

第3章硬件设计 10

3.1DSP芯片 10

3.2电源设计 10

3.3复位电路设计 11

3.4时钟电路设计 12

3.5程序存储器扩展设计 12

3.6数据存储器扩展设计 13

3.7JTAG接口设计 13

3.8A/D接口电路设计 14

第4章软件设计 15

第5章总结 17

参考文献 18

致谢 19

附录 20

摘要

在研究数字信号处理的基础上，提出了一个基于DSPTMS320VC5402和A/D转换芯片TLC320AD50的音频信号采集系统的设计。

给出了该系统的总体设计方案，具体硬件电路,包括系统电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D接口电路设计、JTAG接口设计、DSP与A/D芯片的连接等，以及软件流程图。

关键词：

音频信号数据采集DSPTLC320AD50

ABSTRACT

Onthebasisofstudyingdigitalsignalprocessing,ThedesignofAaudiosignalacquisitionsystembasedonDSPTMS320VC5402andA/DconversionchipTLC320AD50isproposed.Overalldesignschemeofthesystemisgiven,andthespecifichardwarecircuit,includingthesystempowersupplydesign,designofresetcircuit,clockcircuitdesign,designofmemory,A/Dinterfacecircuit,JTAGinterface,DSPandtheconnectionofA/Dchip,andsoftwareflowchart.

Keywords:

audiosignaldatacollectionDSPTLC320AD50

I

音频信号采样与处理系统方案设计

绪论

1.1选题背景及意义

语言是人类特有的功能，它是创造和记载几千年人类文明史的根本手段，没有语言就没有今天的人类文明。

语音是语言的声学表现，是相互传递信息的最重要的手段，是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。

通过语言相互传递信息是人类最重要的基本功能之一。

让计算机能听懂人类的语言，是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息。

通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。

语言是人类持有的功能．声音是人类常用的工具，是相互传递信息的最主要的手段。

因此，语音信号是人们构成思想疏通和感情交流的最主要的途径。

并且，由于语言和语音与人的智力活动密切相关，与社会文化和进步紧密相连，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平[3]。

现在，人类已开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。

 让计算机能听懂人类的语言，是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法。

随着计算机越来越向便携化方向发展，随着计算环境的日趋复杂化，人们越来越迫切要求摆脱键盘的束缚而代之以语音输人这样便于使用的、自然的、人性化的输人方式。

作为高科技应用领域的研究热点，语音信号采集与分析从理论的研究到产品的开发已经走过了几十个春秋并且取得了长足的进步。

它正在直接与办公、交通、金融、公安、商业、旅游等行业的语音咨询与管理．工业生产部门的语声控制，电话、电信系统的自动拨号、辅助控制与查询以及医疗卫生和福利事业的生活支援系统等各种实际应用领域相接轨，并且有望成为下一代操作系统和应用程序的用户界面。

可见，语音信号采集与分析的研究将是一项极具市场价值和挑战性的工作。

我们今天进行这一领域的研究与开拓就是要让语音信号处理技术走。

语音信号采集与分析之所以能够那样长期地、深深地吸引广大科学工作者去不断地对其进行研究和探讨，除了它的实用性之外，另一个重要原因是，它始终与当时信息科学中最活跃的前沿学科保持密切的联系．并且一起发展。

语音信号采集与分析是以语音语言学和数字信号处理为基础而形成的一门涉及面很广的综合性学科，与心理、生理学、计算机科学、通信与信息科学以及模式识别和人工智能等学科都有着非常密切的关系。

对语音信号采集与分析的研究一直是数字信号处理技术发展的重要推动力量。

因为许多处理的新方法的提出，首先是在语音信号处理中获得成功，然后再推广到其他领域。

1.2语音信号在国内外研究现状

语音信号处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科，是目前发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。

60年代之前的发展主要有：

1876年Bell发明电话，1939年H.Dudley研制成功第一个声码器，1942年Bell实验室发明了语谱仪，1948年美国Haskin实验室研制成功“语图回放机”，1952年Bell实验室研制成能识别十个英语数字的识别器。

60年代以后，随着计算机技术的发展，语音信号处理技术获得了长足的进步，计算机模拟实验取代了硬件研制的传统做法。

各种突破性的思想不断涌现。

20世纪60年代中期形成的一系列数字信号处理的理论和算法，如数字滤波器、快速傅立叶变换（FFT）等是语音信号数字处理的理论和技术基础，主要的有Martin等人为邮局研制了邮政编码阅读机。

随着信息科学技术的飞速发展，语音信号处理取得了重大的进展：

进入70年代之后，提出了用于语音信号的信息压缩和特征提取的线性预测技术（LPC），并已成为语音信号处理最强有力的工具，广泛应用于语音信号的分析、合成及各个应用领域，以及用于输入语音与参考样本之间时间匹配的动态规划方法；

20世纪80年代，由于矢量量化，隐马尔可夫模型和人工神经网络（ANN）的研究取得了迅速发展，并相继被应用与语音信号处理，经过不断的改进与完善，使得语音信号处理技术产生了突破型的进展。

进入20世纪90年代以来，语音信号的采集与分析在实用化这一方面取得了很多的实质性的进展。

语音信号处理的各项课题是促进其发展的重要动力之一，同时，它的许多成果也体现在有关语音信号处理的各项技术之中。

1.3本文主要工作

本次音频信号的采集与处理的设计主要是基于DSPTMS320VC5402和A/D转换芯片TLC320AD50的语音信号采集系统的设计。

给出了该系统的总体设计方案，具体硬件电路,包括系统电源设计、复位电路设计、时钟电路设计、存储器设计、A/D接口电路设计、JTAG接口设计、DSP与A/D芯片的连接等，以及软件流程图。

第1章理论依据

20世纪50年代以来，随着数字信号处理各项技术的发展，语音信号处理技术得到不断提高,语音合成、语音识别、语音记录与语音控制等技术已开始逐步成熟并得到应用。

在语音信号处理过程中,要实现语音信号处理技术的精确性、实时性目的，语音信号采集和无误差存储成为语音信号处理中的前提。

TMS320VC5402是TI公司推出的定点数字信号处理器，它采用修正的哈佛结构，包括1个程序存储总线、3个数据存储总线和4个地址总线，这种结构允许同时执行程序指令和对数据操作，运行速度快，单周期定点指令执行时间为10NS，远高于语音信号采集和处理的要求。

在语音信号采集中,模拟信号向数字信号转换（ADC）的精度和实时性对后续信号处理过程起到了重要作用。

设计中采用TLC320AD50完成语音信号的A/D转换。

TLC320AD50是TI公司提供的一款16BIT同步串口A/D和D/A转换芯片，ADC之后有1个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比,其采样频率最高可达22.5KB/S，满足语音信号处理中关于采样频率的要求。

1.1音频信号的介绍

音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体。

根据声波的特征，可把音频信息分类为规则音频和不规则声音。

其中规则音频又可以分为语音、音乐和音效。

规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。

声音的三个要素是音调、音强和音色。

声波或正弦波有三个重要参数：

频率 ω0、幅度An和相位ψn，这也就决定了音频信号的特征。

1.2采样频率

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时，即：

fs.max>=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍；采样定理又称奈奎斯特定理。

 这就保证了音频信号采样的不失真性。

1924年奈奎斯特（Nyquist）就推导出在理想低通信道的最高大码元传输速率的公式:

想低通信道的最高大码元传输速率=2W*log2N（其中W是理想低通信道的带宽,N是电平强度）

1.3TMS320VC5402介绍

TMS320VC5402是基于一个先进的哈佛结构:

一个指令存储总线和三个数据存储总线。

此处理器提供一个具有高平行度的算术逻辑单元、特殊功效的硬件逻辑、片上存储器和附加的外围芯片。

操作灵活和快速的DSP原理及专用的指令系统。

独立的程序和数据空间允许他同时并行地访问指令和数据，提供了高度的平行性。

在一个独立的周期内可以同时执行一次写操作和两次读操作。

并行的指令存储和特殊功用的指令都可以完全的被在一个机器周期内执行。

数据可以在程序空间或数据空间内传输（见图1.1输入输出时序图）。

这一并行操作是算术、逻辑以及二进制运算的强大的机制。

另外，C5402还包括控制机制从而可以处理中断、循环、程序调用。

图1.1输入输出时序图

C5402设备提供片上ROM和RAM来帮助系统完成执行任务和系统的综合。

C5402映射到片上一块4K×16BITROM。

用户可以根据自己的需要来设置ROM的编程实现自己应用目的。

安全选项可以用来保护自定义的ROM。

系统的引导可以在C5402的片上ROM中利用。

这段引导程序在上电时可以主动的把用户代码程序从片外存储器中装载进来。

但如果引脚MP/MC在硬件复位时被采样低电平，那么程序将从ROM的FF8H0处开始执行。

这个区域包含了启动引导程序的分支指令。

C5402引导提供了不同装载程序的方法以便适应不同系统的需求：

并行的8位时16位EPROM并行的8位I/O空间或16位模式8位或时16位的串口模式主机端口引导。

图1.2TMS320VC5402的引脚图

中断和陷阱向量都被定义地址到程序空间。

这些向量是软的---也就是说当遇到陷阱时，处理器的PC装入陷阱向量从而让处理器去处理向量位置处的程序。

每个向量地址都有四个字空间被保留，以便适应延迟的分叉指令，不管是一字指令还是两字指令，只要是允许中断分支服务与正常的服务。

在系统复位时，复位、中断和陷阱向量都被映射到程序地址空间FF80H。

然而，这些向量可以被重新映射到128字