战车内通信音频处理系统设计

黄金金,潘玉田,范昱珩

(1.中北大学机电工程学院,山西太原 030051;2.中国兵器科学研究院,北京 10089)

战车内通信音频处理系统设计

黄金金1,潘玉田1,范昱珩2

(1.中北大学机电工程学院,山西太原 030051;2.中国兵器科学研究院,北京 10089)

针对战车内部乘员间通话时强烈噪声的干扰问题,设计了基于DSP和ARM的数字车通音频处理系统。系统由LPC2378、TMS320VC5402和TLV320AIC23主要部件组成,A RM微控制器LPC2378以SPI方式控制TLV320AIC23音频芯片,用DSP TMS320VC5402的McBSP接口与T LV320AIC23传输数据,给出了ARM配置TLV320AIC23、DSP与TLV320AIC23间数据传输的接口程序设计和DSP实现谱减法语音增强算法流程。该设计接口简单,充分发挥了ARM的控制性能和DSP的数据处理能力,为乘员间高质量语音通信提供了实现方案。

信息处理技术;战车;通信;音频处理

1 战车内语音通信系统总体设计

笔者基于DSP(TMS320VC5402)强大的数字信号处理能力和ARM(LPC2378)控制器良好的控制功能,结合音频编解码芯片T LV320AIC23的接口特点,设计了主要由3者组成的音频处理系统的传输接口硬件和语音数据传输、针对噪声的谱减法语音增强处理软件,为车内乘员间清晰通话提供了有力保障。根据战车通信的特殊要求,车内语音通信系统主要由主控制器、乘员盒(炮长盒和驾驶员盒等)等组成,如图1所示。系统以CAN总线为数据传输网络,由主控制器控制整个系统的数据交换,车内乘员可以通过操作乘员盒的键盘来选择通话对象进行单呼、组呼、广播等通话模式[1-2]。其中音频处理系统包括乘员盒采集麦克风模拟音频的数据输入,经A/D变换和语音增强等处理后由盒内控制器将数字音频流通过CAN总线传输出去;同时盒内控制器从CAN总线采集数字音频数据,经过D/A变换后,还原成模拟音频并通过耳机进行声音播放。

2 乘员盒音频处理硬件设计

2.1 乘员盒音频处理总体设计

本音频处理系统硬件设计可分为ARM控制器模块,DSP音频处理模块,音频A/D变换模块等模块,如图2所示。ARM控制模块控制整个系统的功能实现,DSP语音处理模块完成语音数据的传输、增强处理。音频A/D模块实现模拟音频与数字音频的转换,对语音信号进行采集和播放。

2.2 芯片选择

ARM控制器选用PHILIPS公司生产的LPC2378微控制器。该微控制器使用了高性能的32位ARM7内核,可以在高达72MHz的频率下操作,含有 512kB的片内 Flash和 58kB的片内SRAM存储器[3],接口多样,具有较强的数据传输控制能力。

DSP处理器选用TI公司生产的TMS320VC5402。它是一款16位定点DSP,运算速度快指令执行速度达到100MIPS[4]。自带片内存储器和多种片上外设,广泛应用于语音信号处理和通信领域。

音频A/D芯片采用的是 TI公司的T LV320AIC23(简称AIC23)芯片,它是专与DSP芯片配套而设计的高性能立体声音频芯片[5]。有许多可编程特性。

2.3 音频处理系统硬件设计

音频处理系统主要由上述3个处理芯片及其外围电路组成。ARM控制模块管理整个系统的运行进程,可对多个任务进行调度[6]。LPC2378微控制器外围音频电路主要是与AIC23的接口电路,与DSP的HPI接口电路。DSP音频处理模块完成音频数据的采集、处理和传输。TMS320VC5402音频处理电路是DSP与AIC23芯片的连接。AIC23的模拟接口主要包括以下4个部分:立体声输入、MIC输入、立体声输出和耳机输出。其中输入选为麦克风输入,主要是用来通过无源的麦克风进行现场声音的采集,要为麦克风提供偏置电源。AIC23内部包含耳机放大驱动电路,可以直接驱动普通的耳机。

AIC23分为单独的控制接口和数据接口。控制接口由MODE等于1时选择为SPI工作方式,如图3所示。选择SPI方式写入寄存器是因为用SPI方式初始化芯片,配置寄存器,数据的写入速度要远远高于二线制的I2C方式。由于LPC2378始终处于主机模式向AIC23编解码芯片发送控制信息,所以主机输入从机输出(MISO)引脚就不需要了,只要有3根线即可完成音频数据的控制传输工作。T LV32OAIC23使用的SPI配置接口的3根线分别是CS选通线,SCLK时钟线和SDIN串行数据输入线。在SPI方式下,ARM采用主发送模式,时钟线上的时钟由主机ARM来提供,时钟可编程控制。

AIC23的数据口有4种工作方式,分别为左对齐模式、右对齐模式、I2S模式和DSP模式。它能在数字和模拟电压下工作,与DSP的I/O电压相兼容,因而能够实现与DSP的MCBSP端口的无缝连接。TMS320VC5402有两个多通道缓冲串口(McBSP),选用其中的McBSP0与AIC23进行通信。由于 AIC23的DSP模式与 TI公司 DSP的McBSP口相兼容,LRCIN与LRCOUT与McBSP0的帧同步信号相连接。TMS320VC5402的MCBSP0应工作在SPI模式下,以便使MCBSP0的接收器和发送器同步。收发时钟信号CLKX0和CLKR0由 T LV320AIC23的串行数据传输时钟BCLK提供,并由LV320AIC23的帧同步信号LRCIN、LRCOUT启动串口数据传输,DX0和DR0分别与 TLV320AIC23的DIN和DOUT相连,可用于完成DSP与 TLV320AIC23之间的数字通信。而TMS320VC5402与LPC2378的通信是通过DSP上的HPI接口实现的。

3 音频处理软件设计

音频系统软件由ARM和DSP两大部分组成,ARM控制AIC23的工作方式,对它进行配置,完成与DSP的协调工作及与DSP的通信。主要包括对AIC23的控制接口编程,使其工作在所需的模式下,进行A/D转换和数据传输。DSP主要完成音频数据的采集和信号处理,并将处理后的数据发送给ARM供应用程序调用。主要包括从AIC23接受数据并进行谱减法语音增强处理和与ARM的HPI通信。

3.1 ARM控制接口程序设计

音频AIC23芯片功能控制是通过SPI总线配置其11个可编程寄存器实现。本音频系统涉及到SPI包含5个寄存器,其名称和功能等描述见表1。16Bits的控制字从MSB(最高位)开始,分为两部分进行传输。高7位为控制地址,低9位为控制数据。在SCLK时钟16个上升沿之后,CS的上升沿将16位数据锁存到TLV32OAIC23中。

表1 系统所用的 SPI寄存器Tab.1 SPI register used by system

AIC23的外部晶振是12 MHz,过采样比率为256。AIC23配置为左右声道线路输入静音;耳机左右声道音量为6 dB;使能DAC,麦克风音量为20 dB作为ADC输入;使能ADC高通滤波;芯片各部分电路供电使能;采样数据长度16位,采用DSP数据格式。

3.2 DSP与AIC23间的数据传输程序设计

DSP通过McBSP串行接口与AIC23芯片实现数字音频传输。首先初始化DSP以及McBSP0的各个控制寄存器。AIC23采样输出的是串行数据,需要协调好与之相配的DSP的串行传输协议。AIC23的DSP数据传送模式是从MSB(最高位)开始,时钟信号BCLK在主动方式下是输出,而在从动方式下是输入。由于McBSP串口的数据线DR和DX带有缓存寄存器,而帧同步信号FSX、FSR以及时钟信号CLKX、CLKR具有可编程性,从这些特点可以看到:将MCBSP串口设置为SPI工作模式,接收中断使能;每帧发送、接收两个16位字数据。由T LV320AIC23的帧同步信号LRCIN、LRCOUT启动串口传输,在 LRCIN或LRCOUT的下降沿开始数据传输。使用McBSP0的接收中断缓存数据并进行语音增强处理,最后将增强后的语音数据输出到HPI接口,由LPC2378调用应用程序处理。同时DSP接收ARM发送的数字语音数据后无需进行处理直接交给AIC23进行播放。

3.3 DSP减谱法语音增强处理程序设计

战车内通信系统的背景噪声主要有低频周期性噪声(发动机周期性运转)、脉冲噪声和宽带噪声,对低频周期性噪声进行 IIR数字滤波即可抑制。对宽带噪声采用基于短时谱估计的谱相减法进行处理[7]。该算法是在假设加性噪声与短时平稳的语音信号相互独立的条件下,从带噪语音的功率谱中减去噪声功率谱,从而得到较为纯净的语音频谱[8]。

假设纯净语音s(n)被加性噪声d(n)所污染,形成带噪语音y(n),即y(n)=s(n)+d(n)。加窗分帧处理后表示为:式中:m为语音帧编号;n为每帧语音中采样点的编号。

设ym(n)、sm(n)和dm(n)的傅里叶系数分别为Yk、Sk、Dk。直接对式(1)进行傅里叶变换得:|Yk|=|Sk|+|Dk|,并用无话时的|Dk|统计平均λn(k)作为噪声谱估计值,则有幅值谱相减法的经典形式[9]:

图4为基于幅值谱相减法的实现框图,对输入带噪语音分帧加窗后,对有语音帧,提取出带噪语音相位,并用之前最新的无语音帧得到的噪声频谱幅度估计值替代此帧噪声的频谱幅度,从带噪语音频谱幅度将其减去作为此帧语音频谱幅度估计值,然后插入原带噪语音相位即作为语音频谱的估计值,对其进行反傅里叶变换即可得到增强后的语音信号。

4 结束语

本文介绍了以战车内语音通话为应用背景的双CPU语音处理系统设计方案,论述了系统的硬件设计和软件编程。由ARM控制音频AIC23芯片,DSP处理带噪语音数据实现了语音信号的采集、检测、增强等网络传输前处理。接口设计充分利用了 LPC2378的控制性能和 TMS320VC5402的语音数据处理能力,实验结果表明,经系统处理后的语音质量满足战车通信指标要求。系统为高噪声背景下语音信号处理提供了解决方案。

References)

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[5]TEXAS Instruments Corporation.TLV320AIC23 datasheet[EB/OL].[2002-00-00].http://www.ti.com./.

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[8]赵力.语音信号处理[M].北京:机械工业出版社,2009.

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XIAO Dong,GAO Yong.Speech enhancement using auditory masking properties under strong noise environments in tank cockpit[J].Modern Electronic Technology,2006(11):37-39.(in Chinese)

Design of Communication Audio Processing Systeminside Combat Vehicle

HUANG Jin-jin1,PAN Yu-tian1,FAN Yu-heng2

(1.Institute of Electromechanical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China;
2.China Ordnance Science Institute,Beijing 100089,China)

In order to solve the problems of strong noise interference when the crew s communicated inside the combat vehicle,the digital audio processing system based on DSP and ARM was designed.T he system was mainly composed of LPC2378,TMS320VC5402 and T LV320AIC23.ARM microcontroller based on LPC2378 controlled TLV320AIC23 audio chip by means of SPI interface,and DSP exchanged data with AIC23 through its multichannel buffer serial ports.The program of ARM equipped with TLV320AIC23 and data transmission interface between DSP and T LV320AIC23 were given,and implementation process of spectral subtraction method in speech enhancement algorithm based on DSP was described.The system has the simple interface,and the ARM control performance and DSP data processing capabilities are improved.The system can provide the realization program of high-quality speech communications for the crews inside the combat vehicle.

information processing;combat vehicle;communication;audio processing

TP368

A

1673-6524(2010)04-0099-04

2010-03-06;

2010-05-22

黄金金(1984―),男,硕士研究生,主要从事自行火炮总体技术研究。E-mail:chinahuangjinjin@163.com