基于DSP的音频信号处理系统设计

Electronic Technology • 电子技术

Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程

• 95【关键词】DSP 音频信号 处理系统1 引言随着数字化技术的发展，许多场合所使用的音频设备都由数字化音频处理技术代替了模拟音频技术，数字化音频处理技术主要是通过数字滤波算法对所收集到的信号进行处理与变化来实现的。运用数字化技术必然会涉及许多复杂的数字运算，而DSP数字运算处理器的出现正好符合此要求，DSP芯片能够快速实现数字信号之间的转换与处理计算任务。2 音频信号处理系统发展分析现如今音频信号处理系统已经不再仅仅局限于传统模拟信号处理的范围，而是在逐渐朝着数字化的趋势进行发展，DSP技术将能够支持多声道、密集型的音频处理计算。尤其是最近几年，DSP音频处理技术发展尤为迅速，在此背景下诞生了一系列的音频电子产品。传统的模拟录音技术主要是通过话筒将各种声音收集起来，之后转换为模拟电压信号，再通过相应的录音设备将电压信号记录在相对应的媒介之上，再重新播放时再次将所记录的信号重新转变为模拟信号，通过扬声器来播放所记录的声音。但是这种方式易于受到外界因素的影响与干扰，在每次重放时都会产生一些变化，进而对音质造成严重的影响，虽然可以通过优化元件及材料提高音质，但是所需要的费用较高，并且所提高音质也是具有一定的限度。基于DSP的音频处理系统能够将模拟声音信号进行采样、量化以及编码处理，让其转变为数字信号，之后再将其进行加工、传输与记录；再重放时将所记录的数字信号还原为模拟信号，进而获得更为优秀的音质。运用数字音频技术最主要的原因是计算机技术的快速发展，使得音频系统处理时变得更加高效快捷。当音频信号转换为数字信号时，后续所有的处理操作实际上都可以被看作数字化的处理。在音频信号处理系统中，DSP具有着非常多的优基于DSP的音频信号处理系统设计文/曹亮传统的音频信号处理系统已经无法满足人们的实际需求，而数字化也是音频处理系统设计的发展趋势。本文着重分析了基于DSP的音频信号处理系统设计，具有一定参考价值。摘 要势，如设计简单、计算处理速度快、稳定强、精度高等，同时还不易于收到外界环境因素的干扰。3 DSP技术及其发展研究分析数字信号处理DSP是一门涉及到多学科的技术，它主要是通过利用计算机或者专业设备，对信号进行收集、加工、滤波及处理等操作，最终得到人们所需要的数字化信号。数字信号处理在计算过程中需要专业的设备和专用的集成电路，具有灵活、精准、尺寸小以及抗干扰强的特点，这些都是模拟信号处理无法代替的。随着DSP技术的发展，所具有的功能将会变得越来越强大，目前已经有许多二代智能家电开始运用DSP来进行控制。系统集成DSP是潮流，小型化的DSP芯片始终是DSP技术发展的重要方向。现阶段各个DSP厂家都开始使用新工艺，改进DSP芯片的内部核心，并将其它几个单元统统集成在一起。其次为了满足客户对音频处理系统的使用需求，DSP技术应不断追求更高的运算速度与降低能耗，内核所拥有的结构也应进一步完善。虽然它已经应用到音频处理系统之中，但是人们的要求也越来越高，所以它的必须提高DSP的运行处理速度以及降低运行工号。DSP的结构主要是针对实际的应用，目前虽然DSP所拥有的功能越来越强大，但是销售价格却在逐年降低，DSP的接口也趋于标准化发展，在音频处理系统中应用DSP技术将必然使其具有强大的市场竞争力。4 基于DSP的音频处理系统设计分析随着DSP技术的推广与普及，数字信号音频处理技术也得到了显著的发展，让语音信息数据实现高效处理提供了可能。只有DSP数字处理器的速度越快，性能越高，它完全可以应对各种复杂的数字音频信号。4.1 系统硬件设计分析基于DSP的音频处理系统设计方案主要是以TI公司的数字信号处理器为核心，连接TI公司的音频编解码器A-IC23，并外接储存器、音量控制器以及电源芯片，这样就可以形成一个完整的系统，进而可以实现对音频信号的收集、编解码以及输出等工作。它主要包括了DSP模块，这也是整个系统的核心，DSP设计主要包含DSP芯片、程序加载方式以及控制信号方式，系统所使用的DSP芯片可以采用TI公司的TMSVC5416；其次是AD/DA转换模块，这个模块可以使用TLV320AIC23，内部具有集成化的模数转换器以及数模转换器，同时可以采用多样数字插补滤波的技术。最后为储存模块，可以使用SST公司的SST39VF400A。4.2 系统软件实现基于DSP的音频处理系统可以采用TI公司所推出的DSP编程开发环境。其次DSP软件部分需要用到串行口中断以及定时器中断的方式，同时在中断向量表中说明中断发生时如何进入到中断程序。TLV320AIC23内部具有十几个可编程控制寄存器，之后可以通过不同方式的设置，对DSP芯片的工作状态进行调整。当通过麦克风收集到相应的语音信号时，经过数字滤波处理后将由耳机输出，再通过FIR数字滤波子程序对其进行处理。5 结束语综上所述，DSP对于音频处理系统设计非常重要。因此相关设计者应积极加强对DSP技术的学习与研究，充分发挥出DSP的作用及优势，这样才可以让音频处理系统运行更加高效快捷。除此之外，还需要在设计过程中应重视硬件的选用以及软件的实现，认真学习各个硬件及软件的优劣势，只有这样才可以设计出更加高质量的音频产品。参考文献[1]王剑飞,程耀瑜.基于DSP的多路音频信号采集与处理设计[J].光电技术应用,2013,28(04):72-75.[2]肖斌,王军.基于DSP的音频信号处理系统的设计[J].数字技术与应用,2012(04):125+128.[3]周红鸥.基于DSP的音频信号采集处理系统设计[J].西南民族大学学报(自然科学版),2011,37(S1):100-103.作者简介曹亮，男，湖北省英山县人。研究方向为耳机声学调试及应用。作者单位深圳市冠旭电子股份有限公司 广东省深圳市 518117

基于DSP音频信号实时处理系统

现代音频信号处理领域，通常需要采集大量的数据进行实时分析，并

目逐步从处理单路信号发展为处理多路信号。对语音信号而言，采用元音强

度与元音间隔作为听者识别信号的基础参数。另外音频信号处理的器件也从

传统的模/数、数/模转换器发展成为多款高性能专用芯片。传统的数据采集系

统以工控机或普通单片机为核心，整个系统体积大、功耗高，未考虑语音数

据实时处理和发送。设计的实时语音处理系统具有数据量大、缓冲更新迅速、

稳定性高、采集发送延时小等特点。该系统利用DSP进行数据处理，DMA

与McBSP实现双路音频信号的实时并行采集发送，便于实验室进行数据分

析、算法仿真和过优化处理流程等，也可用于个人便携式音频通信设备的驱

动开发。 

1 硬件概述

该系统采用美国Texas Instruments公司TMS320VC55X处理器，其继

承了C54X系列的发展趋势，低功耗、低成本，在有限的功率条件下能够保

持优良的性能。工作在0.9 V，其核的功率仅为0.05W/MIPS，性能可达800

第３１卷第１期　２Ｏ１７年１月　兰州文理学院学报（自然科学版）　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｒｔｓ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）　Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２Ｏｌ７　文章编号：２０９５—６９９１（２０１７）０１～００６５—０３　基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的数字信号处理系统设计　宋劲松　，杨　凯。　（１．宿州市广播电视台，安徽宿州２３４０００；２．宿州学院信息工程学院，安徽宿州２３４０００）　摘要：随着电子设备结构和功能的日益复杂，数字信号处理系统在效率、处理能力和体积功耗等方面要求也越　来越高．本文根据ＤＳＰ和ＦＰＧＡ技术在数字信号处理系统设计中的应用，结合二者的优点设计了基于ＤＳＰ和　ＦＰＧＡ的数字信号处理系统．首先设计了系统的总体结构和工作流程，然后对系统的主要硬件ＤＳＰ和ＦＰＧＡ　进行了设计，最后设计了系统的软件部分．经过测试，本系统能够正常工作，具有较好的信号处理能力．　关键词：数字信号处理；ＤＳＰ；ＦＰＧＡ　中圈分类号：ＴＮ９１１．７２　文献标志码：Ａ　Ｕ　弓ｌ吾　与模拟信号处理相比，数字信号处理速度快、　灵活性、准确性高、研发成本低，在现在的信号应　用中起着日益重要的作用，在多种科学技术领域　中已经得到广泛的应用，例如通信、石油勘探、遥　感、生物医学等．但是随着功能的愈发完善，数字　信号处理系统结构也愈发复杂，导致了体积、功耗　变大，严重影响了电子设备的有效运行．　目前，ＦＰＧＡ和ＤＳＰ在市场上广泛用于高速　处理器件口　］．ＦＰＧＡ具有高度并行体系结构、高　数据率以及处理时间可控等优点，但其不能实现　很复杂的算法．而ＤＳＰ处理能力强，能够实现算　法复杂的运算，但其处理时间长，数据率相对较　低［３　］．因此，本文设计基于ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的数字　信号处理系统，取二者的优点对数字信号进行有　效处理．而且，本系统能够有效降低数字信号处理　系统的体积和功耗，对减少整个系统的运营成本　具有重要意义．　１　系统设计　本系统总体设计如图１所示．主要由前端、　ＦＰＧＡ、ＤＳＰ和显控设备组成．前端输出模拟信　号．ＦＰＧＡ控制ＡＤＣ和ＤＡＣ，其中ＡＤＣ负责采　样模拟信号、信号的滤波、变频、抽取和处理以及　系统外围接口电路的逻辑控制、与ＤＳＰ接口逻辑　控制等ＤＡＣ输出基带信号；作为数字信号处理　的核心部件ＤＳＰ负责核心算法等功能；获取处理　后的数据由接口传送至显控设备显示．　ＦＰＧＡ　ＤＳＰ　磊　Ｉ；　Ｉ数据处理Ｉ　Ｉ．．．．．．．．．．　１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．＿＿Ｊ　１．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　ｌ　ｌ　图１　系统总体设计结构图　系统工作流程如图２所示．数字信号处理功　能由上位机实现，ＦＰＧＡ接收通过ＵＳＢ接口传送　过来的控制命令，然后将命令传给ＤＳＰ，ＤＳＰ依　据命令对数据进行相应的处理，并把数据结果再　传回到ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ利用ＵＳＢ接口将结果再传　到上位机，并由上位机程序显示出来．　

己口Ｉ］年１月　第］己卷第ｌ期　理论与方法　基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的通用数字信号处理系统设计　彭　宇　姜红兰　杨智明　乔立岩　刘　旺　（哈尔滨工业大学自动化测试与控制系　哈尔滨　１５００８０）　摘要：随着电子设备结构和功能的日益复杂，对其内部使用的数字信号处理系统在体积和功耗方面提出了更高的要求。结　合以上背景，设计了一种体积小、功耗低的通用数字信号处理系统。该系统利用ＤＳＰ配合ＦＰＧＡ为硬件架构，以　ＴＭｓ３２ＯＶＣ５５Ｏ９Ａ　ＤＳＰ为数据处理核心，通过ＦＰＧＡ对ＵＳＢ、ＡＤＣ和ＤＡＣ等外围设备进行控制，并可实现频谱分析、数字滤　波器等数字信号处理算法。硬件调试结果表明，该系统满足设计要求，可应用于实际工程和课堂教学等多个领域。　关键词：数字信号处理；低功耗；ＤＳＰ；ＦＰＧＡ　中图分类号：ＴＮ９１１．７２　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：５１０．４０９９　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳＰ　ａｎｄ　ＦＰＧＡ　Ｐｅｎｇ　Ｙｕ　Ｊｉａｎｇ　Ｈｏｎｇｌａｎ　Ｙａｎｇ　Ｚｈｉｍｉｎｇ　Ｑｉａｏ　Ｌｉｙａｎ　Ｌｉｕ　Ｗａｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｈａｒｂｉｎ　１　５００８０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｎｏｗａｄａｙｓ，ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｂｅｃｏｍｉｎｇ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅ—　ｆｏｒｅ，ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｈａｒｓｈｅｒ．Ａｃｃｏｒｄ—　ｉｎｇ　ｔＯ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ａ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｖｏｌｕｍｅ　ａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ＦＰＧＡ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｎｄ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ＵＳＢ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ＡＤＣ，ＤＡＣ，ｅｔｃ．ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｉｍ—　ｐｌｅｍｅｎｔ　ｓｐｅｃｔｒａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ，ｄｉｇｉｔａｌ　ｆｉｌｔｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｌａｓｓｉｃ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｂｕｇ　ｒｅ—　ｓｕｈｓ　ｓｕｇｇｅｓｔ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ａｎｄ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｒｅａｌ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｎｄ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ＣＯＵｒｓｅ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ　ｓｉｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ；ＤＳＰ；ＦＰＧＡ　１　引　言　随着计算机技术和电子技术的高速发展，数字信号处　理理论和方法已成为众多研究领域的重要研究基础，被广　泛应用在航空航天、自动化控制、通信等领域。然而，数字　信号处理系统功能日益齐全，结构也越来越复杂，导致其　体积和功耗不断增加，对电子设备的运行造成了严重的影　响。因此，减小数字信号处理系统的体积和功耗，对降低　整个电子系统的运营成本、提高系统可靠性具有重要　意义。　１１公司５０００系列的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ　具有较快的数字信号处理能力，同时具有低功耗、封装小、价　格低等优点，被广泛的应用于数字信号处理领域中。本文充　收稿日期：２０１２－１１　分利用了ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ的以上优势，同时结合ＦＰＧＡ的　并行控制能力，实现了体积小、功耗低的通用数字信号处理　系统。　２　系统主要功能和技术指标　本系统主要功能要求如下：　１）模拟信号的产生，包括正弦波、方波、三角波、锯齿　波以及带有高频正弦分量的上述波形；　２）信号的采集，包括模拟信号、语音信号等；　３）频谱分析、数字滤波等常用数字信号处理算法的　实现；　４）与主控计算机之间进行数据与命令互传。　根据系统功能要求，同时考虑系统通用性和扩展性要