基于DSP的語音采集與FIR濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)摘要介紹了一種基于TMS320C5402的語音采集與FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計與實現(xiàn),采用TLC320AD50作為語音CODEC模塊的核心器件,簡述了FIR數(shù)字濾波器的特點,以及其在DSP上實現(xiàn)的原理。利用TMS320C5402對采集到的語音信號進行FIR濾波,該系統(tǒng)具有較強的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的接口電路,能夠滿足語音信號濾波的要求,可以擴展為語音信號處理的通用平臺關(guān)鍵詞語音采集FIR濾波器TMS320C5402數(shù)字信號處理是把數(shù)字或符號表示的序列,通過計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備,用數(shù)字的方式去處理,以達到更符合人們要求的信號形式。而語音處理是數(shù)字信號處理最活躍的研究方向之一,在IP電話和多媒體通信中得到廣泛應用一個完備的語音信號處理系統(tǒng)不但要具有語音信號的采集和回放功能,還要能夠進行復雜的語音信號分析和處理。通常這些信號處理算法的運算量很大,而且又要滿足實時的快速高效處理要求,隨著DSP技術(shù)的發(fā)展,以DSP為內(nèi)核的設(shè)備越來越多,為語音信號的處理提供了優(yōu)質(zhì)可靠的平臺軟件編程的靈活性給很多設(shè)備增加不同的功能提供了方便,利用軟件在已有的硬件平臺上實現(xiàn)不同的功能已成為一種趨勢。本文設(shè)計了一個語音處理系統(tǒng),采用定點DSP芯片TMS320C5402作為CPU,完成對語音信號的采集和濾波處理1語音采集系統(tǒng)的設(shè)計11系統(tǒng)總體設(shè)計語音采集與處理系統(tǒng)主要包括3個主要部分以TMS320C5402為核心的數(shù)據(jù)處理模塊以TLC320AD50為核心的語音采集與編解碼CODEC模塊用戶根據(jù)需要擴展的存儲器模塊系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示111CODEC模塊本設(shè)計選用TLC320AD50以下簡稱AD50完成語音信號的A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換AD50是TI公司生產(chǎn)的一款集成有A/D和D/A的音頻芯片,DSP與音頻AD50連接后,可使用一個緩沖串行口來同時實現(xiàn)語音信號的采集和輸出,從而可以節(jié)省DSP的硬件開銷AD50使用過采樣技術(shù)提供從數(shù)字信號到模擬信號和模擬信號到數(shù)字信號的高分辨率低速信號轉(zhuǎn)換該器件包括2個串行的同步轉(zhuǎn)換通道,分別用于各自的數(shù)據(jù)傳輸語音信號直接從AD50的模擬信號輸入端輸入,AD50對其進行采樣,并將采樣后的數(shù)據(jù)傳送至DSPDSP應用相應的算法對數(shù)據(jù)進行處理,并將處理后的數(shù)據(jù)傳送到AD50的D/A輸入端AD50再對DSP處理后的數(shù)據(jù)進行數(shù)模轉(zhuǎn)換,變?yōu)檎Z音信號后輸出到音響設(shè)備本系統(tǒng)中TLC320AD50與TMS320C5402之間采用串行通信,通過DSP芯片的MCBSP串口實現(xiàn)接口電路如圖2所示112MCBSP的工作原理TMS320C5402有2個MCBSP多通道緩存串行口MCBSP提供了全雙工的通信機制,以及雙緩存的發(fā)送寄存器和三緩存的接收寄存器,允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸,數(shù)據(jù)長度可以為8、12、16、20、24、32同時還提供了A律和L律壓擴數(shù)據(jù)信號經(jīng)DR和DX引腳與外設(shè)通訊,控制信號則由CLKX、CLKR、FSX、FSR等4個引腳來實現(xiàn)4CPU和DMA控制器可以讀取DRR1,2的數(shù)據(jù)實現(xiàn)接收,并且可以對DXR1,2寫入數(shù)據(jù)實現(xiàn)發(fā)送串行口控制寄存器SPCR1,2和引腳控制寄存器PCR用來配置串行口接收控制寄存器RCR1,2和發(fā)送控制寄存器XCR1,2用來設(shè)置接收通道和發(fā)送通道的參數(shù)采樣率發(fā)生器寄存器SRGR1,2用來設(shè)置采樣率TMS320C5402芯片串口控制寄存器功能強大,用戶通過編程不但可以設(shè)置時鐘信號的極性及輸入輸出方向,還可以設(shè)置同步信號的極性及輸入輸出方向113AD50與DSP的同步通信在應用中,將TLC320AD50C接至DSP的同步串口,并將TLC320AD50設(shè)置在主動工作模式下,即由TLC320AD50提供幀同步信號和移位時鐘,TMS320C5402的管腳電壓為33V,可以與AD50直接相連串口的移位時鐘SCLK由AD發(fā)出,串行數(shù)據(jù)在SCLK的驅(qū)動下經(jīng)DIN、DOUT移進、移出,在SCLK的下降沿采樣DIN數(shù)據(jù),在SCLK下降沿送出數(shù)據(jù)到DOUTXF控制首次或二次通信,XF為低時是AD50的首次通信,是正常的AD、DA的數(shù)據(jù)XF為高時是AD50的二次通信,這時可以讀寫AD50的4個寄存器進入二次通信有軟件的方法,即把AD50設(shè)為151位數(shù)據(jù)模式,最后一位標記下一個數(shù)據(jù)是否為二次通信數(shù)據(jù),1表示是,0表示否一次通信格式的16位都用來傳輸數(shù)據(jù)DAC的數(shù)據(jù)長度由寄存器1的D0位決定啟動和復位時,默認值為151模式,最后一位要求二次通信如果工作在16位傳輸模式下,則必須由FC產(chǎn)生二次通信請求二次通信格式則用來初始化和修改TLC320AD50C內(nèi)部寄存器的值在二次通信中可通過向DIN寫數(shù)據(jù)來完成初始化二次通信格式如圖3所示,D131表示讀DIN的數(shù)據(jù),D130表示向DIN寫數(shù)據(jù)系統(tǒng)復位后,必須通過DSP的DX接口向TLC320AD50C的DIN寫數(shù)據(jù),因為采用一片TLC320AD50C,只需初始化寄存器1、寄存器2、寄存器4由于通信數(shù)據(jù)長度為16位,初始化是應通過RCR1和XCR1設(shè)置MCBSP的傳輸數(shù)據(jù)長度為162語音采集語音信號的采集,是通過話筒經(jīng)模擬放大輸入到AD50,AD50作相應的低頻濾波并進行A/D轉(zhuǎn)化,再通過MCBSP通道輸入DSP芯片語音信號采集程序包括以下幾個部分1DSP初始化對DSP的寄存器以及緩沖串口進行初始化2AD50初始化通過DSP的緩沖串口和XF引腳對AD50進行初始化,再設(shè)置AD50的4個控制寄存器確定AD50的4個控制寄存器設(shè)置正確后,AD50才能開始采集數(shù)據(jù)此時,可以用示波器檢測AD50的DOUT引腳,能發(fā)現(xiàn)引腳是否有連續(xù)的信號輸出3設(shè)置DSP的中斷,從緩沖串口讀取數(shù)據(jù)如果此時在緩沖串口連續(xù)讀取數(shù)據(jù),就可以在仿真軟件CCS中查看讀取的數(shù)據(jù)是否正確4DSP存放數(shù)據(jù)可以將緩沖串口讀取的數(shù)據(jù)存放到DSP的RAM單元,連續(xù)存放,可通過CCS的圖形顯示功能判斷AD50采樣的數(shù)據(jù)是否正確3語音濾波語音去噪在語音信號上應用較多,在實質(zhì)上和普通的數(shù)字信號去噪沒有什么區(qū)別,使用濾波器和各種算法均可以實現(xiàn)語音信號的去噪,使得含有噪聲的信號更加清晰但語音信號的去噪和一般的數(shù)字信號去噪又存在著很大的差別,因為語音信號的頻譜覆蓋在100HZ34KHZ,較為豐富的信號主要集中在1KHZ附近,所以一般的濾波去噪時必須考慮語音信號的自身特征本系統(tǒng)中應用的AD50內(nèi)置了低通濾波器,可以通過設(shè)置來有效濾除信號中混雜的高頻干擾信號,而對于低于100HZ的干擾信號,則無能為力因此,要用DSP進行編程設(shè)計一個軟件可實現(xiàn)高通濾波器,由處理器來完成信號的去噪,采用FIR濾波31FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)及特點有限沖激響應FIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)是一個分節(jié)的延時線,把每一節(jié)的輸出加權(quán)累加,得到濾波器的輸出數(shù)學上表示為YNEN1N0HNXNM,0NN11對1式進行Z變換,整理后可得出FIR濾波器的傳遞函數(shù)為HZEN1N0HNZN,0NN12由2式可知FIR濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示圖1FIR數(shù)字濾波器直接實現(xiàn)形式32FIR濾波器的DSP實現(xiàn)原理由1式可知,FIR濾波器的沖激響應為H0,H1,HN1XN表示濾波器在N時刻的輸入,則N時刻的輸出為YNH0XNH1XN1,HN1XNN1,這是一個乘、加的過程,可以使用DSP中的MAC指令實現(xiàn)該運算圖2說明了使用循環(huán)尋址實現(xiàn)FIR濾波器的方法為了能正確使用循環(huán)尋址,必須先初始化BK,塊長為N同時,數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和沖激響應FIR濾波器的系數(shù)的開始地址必須是大于N的2的最小冪的倍數(shù)例如,當N11時,大于N的最小2的冪為16,則數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的第一位地址應該是16的倍數(shù),因此數(shù)據(jù)緩沖區(qū)起始地址的最低4位必須是0在圖2中,濾波系數(shù)指針初始化時指向HN1,經(jīng)過一次FIR濾波計算后,在循環(huán)尋址的作用下,仍然指向HN1而數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針指向的是需要更新的數(shù)據(jù),如XN在寫入新數(shù)據(jù)并完成FIR運算后,該指針指向XNN1,所以,使用循環(huán)尋址可以方便地完成濾波窗口數(shù)據(jù)的自動更新4FIR濾波器設(shè)計實例給定FIR數(shù)字帶通濾波器的技術(shù)指標為2個通帶截止頻率分別為4KHZ和6KHZ,2個阻帶截止頻率分別為3KHZ和7KHZ,采樣頻率均為25KHZ輸入為一個混合信號FCOS2000PTCOS10000PTCOS20000PT/6,利用MATLAB設(shè)計FIR帶通濾波器的系數(shù),將得到的濾波器系數(shù)乘以32768即215后舍尾取整可得DSP中濾波器系數(shù)列表用WORD匯編命令將各濾波器系數(shù)直接輸入到DSP程序中模擬輸入數(shù)據(jù)由C語言程序?qū)崿F(xiàn),然后用COPY命令將C語言程序生成的數(shù)據(jù)文件FIRINPUT拷貝到DSP程序中DSP程序?qū)崿F(xiàn)讀入數(shù)據(jù)、濾波、顯示波形等方面的任務(wù)完成FIR濾波器的程序框圖如圖3所示,可知FIR濾波器的DSP實現(xiàn)主要由以下4方面的內(nèi)容組成41模擬輸入數(shù)據(jù)的生成用C語言程序生成輸入數(shù)據(jù),通過COPY匯編命令將生成的數(shù)據(jù)文件拷貝到匯編程序中,作為FIR濾波器的輸入數(shù)據(jù)C語言程序運行后所生成的數(shù)據(jù)文件名為FIRINPU,T生成FIRINPUT數(shù)據(jù)文件的C語言程序如下所示INCLUDE“STDIOH“INCLUDE“MATHH“MAININTIDOUBLEF256FILEFPIFFPFOPEN“EFIRINPUT“,“WT“NULLPRINTF“CANCTOPENFILEN“FORI0I255IFICOS2314159265I1000/25000COS2314159265I5000/25000COS2314159265I10000/25000/6FPRINTFFP,“WORDLDN“,LONGFI32768FCLOSEFP42DSP初始化程序DSP初始化程序包括了對堆棧指針SP、軟件等待狀態(tài)寄存器SWWSR、中斷寄存器IFR、中斷屏蔽寄存器IMR以及處理器工作狀態(tài)寄存器PMST的初始化另外還對各變量賦值,具體的程序如下DEF_C_INT00MMREGSSWCRSET2BHT_AR2SET066HT_AR3SET067HOUT_WAVE_BUFSET0D00HDATA_INSET0F00HNSET51FIR_COEF_BUFSET100HFIR_DATASET200HTEXTRSB_C_INT00_C_INT00STM2020H,PMSTSSBXINTMSSBXSXMSSBXFRCTSTM10H,26HSTM10H,36HSTM0FFH,SPLD0,DPSTM0FFFFH,IFRSTM20H,IMRSTM02492H,SWWSRSTM0,SWCR可看出,FIR濾波器的系數(shù)列表將存在100H開始的單元中,輸入數(shù)據(jù)將存在200H開始的單元中,而輸出數(shù)據(jù)將存在0D00H開始的單元中43濾波系數(shù)以及輸入數(shù)據(jù)的調(diào)入由于濾波器系數(shù)一開始是存在程序存儲器中,輸入數(shù)據(jù)則是存在程序外的文件中,程序?qū)@2組數(shù)據(jù)進行處理時,需要把兩者都調(diào)到數(shù)據(jù)存儲器中,具體實現(xiàn)程序如下STMFIR_DATA,AR6RPT255MVPDINPU,TAR6STMFIR_COEF_BU,FAR6RPTN1MVPDFIR_COE,FAR6STMFIR_COEF_BU,FT_AR2STMFIR_DATA,T_AR3這段程序?qū)崿F(xiàn)的是把輸入數(shù)據(jù)調(diào)到以200H開始的單元,而把濾波系數(shù)調(diào)到從100H開始的單元44濾波子程序一次濾波的過程實質(zhì)上就是對2組數(shù)進行有規(guī)律的乘加計算,具體程序如下FIRMVDMT_AR2,AR2將起始濾波系數(shù)地址100H賦給AR2MVDMT_AR3,AR5將起始輸入數(shù)據(jù)地址200H賦給AR5STMDATA_IN,AR3AR30F00HSTM255,BRC定義塊循環(huán)次數(shù)RPTBDLOOP1定義塊循環(huán)結(jié)束地址STMN,BK定義循環(huán)緩沖器大小LDAR5,A將新數(shù)據(jù)讀到累加器A中STLA,AR3將新數(shù)據(jù)讀入棧頂RPTZA,N1定義循環(huán)次數(shù),之前先將A累加器清0MACAR20,AR30,AAAR2AR3A,每完成一次計算AR2、AR3指針所對應地址1STHA,AR6將計算結(jié)果保存輸出LOOP這個程序段將重復執(zhí)行256次,從而實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)的讀入、處理、輸出等功能5結(jié)語本文介紹了一個實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn),系統(tǒng)以DSP芯片和TLC320AD50芯片為核心,有很強的數(shù)據(jù)處理能力和靈活的外圍接口電路,實驗證明,可較好地實現(xiàn)語音的濾波該系統(tǒng)可擴展為3G手機語音識別系統(tǒng),也可以作為語音信號處理算法研究