DSP在数字音频处理中的应用

2013-01-31李玉丽王晓丽

吉林建筑大学学报 2013年3期

李玉丽王晓丽

(1:吉林建筑大学电气与电子信息学院，长春130118;2:吉林建筑大学职业技术学院，长春130118)

传统的音频产品，其音频的处理大都采用模拟设备，且体积大、精度低，易受环境影响，元器件容易老化.随着数字音频技术的发展，采用数字音频处理器，可以使音频技术在制作、压缩、数字传输及存储等几方面得到长足的发展.数字化的音频技术把现有的数字和模拟技术二者有机地结合在一起，使设备精度提高，体积大大减小，受环境影响较小，且数字音频只有0，1两种状态即使多次复制，效果也不会减弱，传输的错误率较低，噪声小，这都是传统的音频设备所不能比拟的.目前，数字音频技术广泛地应用于电子类数字音响设备，如MP 3、广播节目制作、多媒体、广播电视数字化和通讯系统等.

1 总体架构

本文设计的硬件总体结构如图1所示.系统采用的主要芯片包括AT 89 C 51单片机，TI公司的TMS320 C 5402 DSP芯片，BB公司的生产的PCM3001芯片.AT 89 C 51和TMS320 C 5402两个处理器以主从方式连接实现.C 5402与PCM3001通过C 5402的多通道缓冲串口MCBSP实现连接.

整个硬件系统包括两个部分，其功能如下:

(1)MCU主处理器部分.包括单片机AT 89 C 51的最小系统、HD 7279芯片具有串行接口，可同时驱动8位共阴极数码管和连接64键的键盘矩阵，通过该芯片可完成数码显示和键盘接口的全部功能.AT 89 C 51需要5 V电源，而DSP芯片TMS320 C 5402需要3.3电压，因此采用74 LVC 4245芯片进行电压转换.MCU作为系统主机，首先完成自身的初始化定义.通过采集键盘信号选择按键处理程序，并将所得信息送给DSP系统，以实现对音频信号压缩、失真、均衡、混响等功能;

图1 硬件总体框图

(2)DSP处理系统.主要完成音频的算法处理，可以实现各种信号效果和设计均衡器.它主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、存储器接口电路和模数转换电路.

1.1 主系统电路设计

主系统主要包括单片机AT 89 C 51、看门狗芯片DS1232、译码芯片74 HC 139、晶振和最小系统电路等，如图2所示.

图2 主系统电路

DS1232是一个具有看门狗功能的电源监测芯片，在电源上电、断电、电压瞬态下降和死机时都会输出一个复位脉冲，十分适合作为单片机的复位电路.

DS1232具有3个功能:一是电源电压的监视.图3中DS1232的VOL脚接地，当Vcc低于4.75 V时，RST脚输出高脉冲自动复位微处理器;二是按键复位功能.复位按键可直接连到芯片DS 1232的/PBRST端，在该引脚上输入低电平信号，就可在DS 1232的RST引脚上产生至少250ms的高电平复位信号;三是看门狗定时器，当DS 1232的/ST引脚在150ms内没有收到微处理器有效信号时，即单片机的程序陷入“陷阱”或跑飞状态，DS 1232的RST引脚将产生复位信号强迫AT 89 C 51复位.

74 HC 139是2－4线译码器，实现I/O地址译码功能，产生I/O读写信号./Y1连至DSP的READY引脚.

1.2 DSP系统电路设计

一个典型的DSP系统如图3所示.

图3 典型的DSP系统

输入信号(可以是声音信号或者是图像信号)经过预放、防混叠滤波后送到模数转换器(ADC)进行转换，DSP读入ADC的数据进行数字信号处理，DSP处理后的数据根据需要把以数字形式存储的音频信号通过数模转换器(DAC)转换成模拟信号，采用RMAA软件得到扬声器频响曲线，最后经过低通滤波器得到连续、平滑的模拟波形.

DSP最小系统包括一个DSP芯片、一个模数转换的模拟接口、一个存储代码的EPROM和外部扩展存储器RAM.以芯片TMS320 C 5402为主的系统主要工作如下:①C 5402通过数据总线D 7－D 0实现与AT 89 C 51数据交换.如果是由AT 89 C 51发送数据送到P 1口，则74 HC 139译码产生一个低电平向TMS 320 C 5402发READY信号，TMS320 C 5402响应后准备读取8位数据.反之，由TMS320 C 5402发送数据至AT 89 C 51时，先将8位数据输出至D 7－D 0，然后，在XF线上产生一个低电平脉冲向AT89C 51发INT0中断.AT 89 C 51在响应中断程序后读取经电平转换后的8位数据;②C 5402根据读入的编码，调用相应的音频处理程序，完成对数字音频信号的效果处理.

1.3 PCM3001的配置

PCM3001是一片价廉的立体声音频编解码器.

PCM3001芯片电源电压为5 V.芯片的接口采用串行接口.芯片内部有立体声模数转换器，信噪比为94 dB;立体声数模转换器信噪比为98 dB;单端电压的输入和输出.采样频率有3种，分别是32 kHz，44.1 kHz，48 kHz.具有16位或18位I/O数据.PCM3001芯片支持左对齐、右对齐、I2S和DSP等多种数据格式，采用何种数据格式由芯片引脚设置来决定.芯片的引脚分别是FMT，FMT 1，FMT 0，可通过将这3个引脚悬空或接地来分别置1或0，共有7种数据组合方式.PCM3001有3个接地脚和3个电源脚.电源脚有模数转换器的模拟电源(VCC 1)、数模转换器的模拟电源(VCC 2)、数字电源(VDD)，接地脚有模数转换器的模拟地(AGND 1)、数模转换器的模拟地(AGND 2)、数字地(DGND).为了保障PCM3001芯片使用的最好性能，通常将3根电源线接在一起，共用1个电源，以免出现闩锁.如果模拟和数字电源需要分开供电，要在2个电源之间并联方向相反的2个二极管，这样便可消除闩锁现象.模拟地和数字地要有各自的地线，避免互相干扰.

2 系统的软件设计与实现

基于DSP的音频系统实现对扬声器频率响应的补偿，即实现对扬声器的数字均衡，在特定的频率范围内将信号放大或衰减，数字均衡器具有良好的可靠性和灵活性.数字均衡器在系统中使用后，硬件无需改变，对于不同的扬声器，改变系数就可以改变均衡器的数值和类型.系统要实现的功能包括各种音频效果和对扬声器的数字均衡.系统流程图如图4所示.