G音频传输系统的设计方案与实现初稿.docx
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G音频传输系统的设计方案与实现初稿
封面
作者:
PanHongliang
仅供个人学习
海南大学
学士学位论文
2.5G音频传输系统的设计与实现
姓名:
陆维
申请学位级别:
学士
专业:
通信工程
指导教师:
陈褒丹
2011-5-7
原创性声明
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独
立进行研究所取得的成果.除文中已经注明引用的内容外,本论文不
包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。
对本文的研
究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。
本声明
的法律责任由本人承担。
论文作者签名:
陆维
日期:
2011-5-7
关于学位论文使用授权的声明
本人完全了解海南大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学
校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论
文被查阅和借阅;本人授权海南大学可以将本学位论文的全部或部分
内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段
保存论文和汇编本学位论文。
(保密论文在解密后应遵守此规定)
论文作者签名:
导师签名:
日期:
2011-5-7
中文摘要
随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展,数字信号处理技术已经逐渐发展成为一门关键的技术学科。
数字信号处理是伴随数值计算技术和计算机技术的发展而迅速发展起来的新兴学科,特别是数字信号处理器(DSP)的出现,使其理论得以广泛应用于实际系统之中而DSP芯片的出现则为数字信号处理算法的实现提供了可能。
这一方面极大地促进了数字信号处理技术的进一步发展;另一方面,它也使数字信号处理的应用领域得到了极大的拓展。
在国外DSP芯片已经被广泛地应用于当今技术革命的各个领域;在我国,DSP技术也正以极快的速度被应用到科技和国民经济的各个领域。
本次毕业设计通过运用DSP,介绍了音频系统音频信号频谱分析的原理以及其所涉及的硬件结构和软件设计,该设计是基于快速傅立叶变换(FFT)的方法对采集的音频信号进行频谱分析,得到音频信号的频率及功率,FFT算法采用MATLABLE编写DSP程序实现。
现可以完成256点的FFT运算,频率分辨率达到100Hz,输入信号电压(峰峰值)可以达到100mV到4V。
关键词:
音频系统;数字信号处理器(DSP);音频信号;快速傅立叶变换;频谱分析。
ABSTRACT
Alongwiththedeepeningoftheinformationtechnologyrevolutionandtherapiddevelopmentofcomputertechnology.Digitalsignalprocessingtechnologyhasgraduallydevelopedintoakeytechnicaldisciplines.Digitalsignalprocessingisanewsubjectthatimprovequicklytogetherwithnumericalcomputertechnologyandcomputertechnology.EsprciallywithappearanceofDigitalSignalProcessor(DSP),itstheoryisappliedwidelytopracticalsystems.MakeitstheorytowidelyappliedintheactualsystemoftheemergenceofDSPchipistherealizationofdigitalsignalprocessingalgorithmtoprovidethepossibility.Ontheonehand,greatlypromotethedigitalsignalprocessingtechnologyfurtherdevelopment.Ontheotherhand,italsomakedigitalsignalprocessingapplicationshasbeengreatlyextend.
Inforeigndigitalsignalprocessor(DSP)hasbeenwidelyusedintoday'stechnologyrevolutioninvariousfields.Inourcountry,DSPtechnologyhasbeenappliedtothetechnologyandnationaleconomicinvariousfieldswithgreatspeed.Thegraduationdesignintroducedtheaudiosystemaudiosignalspectrumanalysisprincipleanditsinvolvesthehardwarestructureandsoftwaredesign.ThedesignisbasedonfastFouriertransform(FFT)methodtotheaudiosignalscollectedspectralanalysis.Getaudiosignalfrequencyandpower.FFTalgorithmadoptsMATLABLEwriteDSPprogramrealization.Thatcanbecomplete256pointFFToperationsnow.Thefrequencyresolutionachieve100Hz.Theinputsignalvoltage(fengfengvalue)canbeachieved100mVto4V.
Keywords:
Audiosystem;Digitalsignalprocessor(DSP);Audiosignal;FastFouriertransform;Spectrumanalysis.
1.绪论……………………………………………….………………………………………..1
1.1设计背景........................................................................................................................1
1.2设计目的........................................................................................................................1
2硬件电路............................................................................................................................3
2.1系统框图.......................................................................................................................3
2.2信号处理部分...............................................................................................................3
2.2.1信号叠加电路...................................................................................................3
2.2.2低通滤波器........................................................................................................3
2.2.350Hz陷波电路....................................................................................................4
2.2.4电平转换电路.................................................................................................4
2.2.5信号采集部分...................................................................................................4
2.3时钟信号产生电路..................................................................................................13
3软件设计.........................................................................................................................14
3.1DSP初始化................................................................................................................14
3.2AD50初始化..............................................................................................................14
3.3设置DSP中断..........................................................................................................14
3.4数据存储................................................................................................................14
3.5数据输出.................................................................................................................14
3.6FFT算法..................................................................................................................14
4总结....................................................................................................................................17
参考文献..................................................................................................................................19
附录…………………………………………………………......…………….……...………20
1绪论
1.1背景
随着大规模集成电路技术的发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片,这种DSP器件采用微米工艺NMOS技术制作,虽功耗和尺寸稍大,但运算速度却比MPU快了几十倍,尤其在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
DSP芯片的问世是个里程碑,它标志着DSP应用系统由大型系统向小型化迈进了一大步。
至80年代中期,随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到了成倍提高,成为语音处理、图象硬件处理技术的基础。
80年代后期,第三代DSP芯片问世,运算速度进一步提高,其应用范围逐步扩大到通信、计算机领域。
90年代DSP发展最快,相继出现了第四代和第五代DSP器件,现在的DSP属于第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP芯片核心及外围元件综合集成在单一芯片上。
这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域。
经过20多年的发展,DSP产品的应用已经扩大到人们的学习、工作和生活的各个方面,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。
目前,对DSP爆炸性需求的时代已经来临,前景十分可观。
目前,在微电子技术发展的带动下,DSP芯片的发展日新月异,DSP的功能日益强大,性能价格比不断上升,开发手段不断改进。
DSP芯片已经完全走下了“贵族”的圣坛。
DSP芯片已经在通信与电子系统、信号处理系统、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗、家用电器、电力系统等许多领域中得到了广泛的应用,而且新的应用领域在不断地被发掘。
TI、AD、AT&T、Motorola和Lucent等公司是DSP芯片的主要生产商。
其中TI公司的TMS320系列的DSP占据了全球DSP市场的50%左右。
该系列产品在我国同样被用户广泛使用,市场份额更高,超过90%。
鉴于多数DSP芯片和高速A/D、D/A芯片工艺为贴片封装,对一般用户来说工厂制版成本较高、手工工艺难制版、效果差等的困难,本系统设计了一套基于DSP芯片的最小系统板,并扩展了A/D、D/A实现语音信号的采集和回放,制作语音处理平台。
设计的核心芯片采用TI公司的TMS320VC5402PGE100进行设计,其最高处理速度能达到100MIPS(每秒执行100百万条指令),性能优越、性价比高,适合大多数用户和教学科研。
基于DSP的运用领域和前景,结合我的专业跟个人爱好,本次毕业设计所选课题为2.5G音频系统的设计与实现,基于DSP语音采集回放处理平台。
以TMS320C5402DSP为核心,对外部语音信号进行采集,并对所采集信号进行语音处理,最后通过外部设备回放。
该系统适合对单语音信号进行处理。
由于设计过程中采用的A/D、D/A芯片是TI公司的TLC320AD50,所以最高采样速率为22.05KHZ。
为了验证本次设计的正确性和可用性,对采集的语音信号进行FIR滤波,滤除50HZ交流信号,并抑制频率在3600HZ以上的语音信号。
所设计的滤波器是带通滤波器,通带为200HZ—3400HZ,经过实验验证,得到了预期的滤波效果。
证明本次单通道语音信号系统处理平台设计的正确性,可用性。
1.2设计目的
2.5G音频传输系统的设计与实现是对《数字信号处理》、《DSP原理及应用》等课程的较全面练习和训练,同时加强了对音频方面知识的了解和深入,是实践教学中的一个重要环节。
通过本次毕业设计,综合运用数字信号处理、DSP技术课程以及其他有关先修课程的理论和生产实际知识去分析和解决具体问题,并使所学知识得到进一步巩固、深化和发展。
培养了学生对工程设计的独立工作能力,掌握电子系统设计的一般方法。
通过毕业设计完成基本技能的训练,如查阅设计资料和手册、程序的设计、调试等,提高学生独立分析问题、解决问题的能力。
1、DSP与TLC320AD50接口电路的原理图绘制;
2、DSP控制TLC320AD50的程序编写与调试;
3、TLC320AD50进行语音模拟量到数字信号的转换,实现声音的采集,在matlable软件中分析信号的幅频特性;
4、编写DSP的FFT处理程序;
5、实现绘图功能,将幅频图显示出来;
6、按要求编写毕业设计报告书,正确、完整的阐述设计和实验结果;
7、在报告中绘制程序的流程图,并文字说明。
2硬件电路
2.1系统框图
本系统的硬件电路主要由信号预处理、信号采集、信号频谱分析、时钟触发信号、系统控制和键盘显示模块6部分组成。
系统组成框图如图2.1所示。
图2.1系统组成框图
2.2信号处理部分
信号预处理具体电路主要由信号合成、阻抗匹配、0.5f的低通滤波、50H的陷波器和信号抬高等部分组成,如图2.2所示。
图2.2信号处理框图
2.2.1信号叠加电路
信号叠加电路采用反向求和电路,将3信号求和的输出,运放采用OP37。
反向求和电路
运放OP37
2.2.2低通滤波器
由于要求音频信号为10KHz以下,为了使信号得到更高的纯度,则需对不用的高频信号进行滤出,从而提高系统测量精度。
通过滤波器的快速设计方法设计出12KHz的低通滤波器。
2.2.350Hz陷波电路
在音频信号中,工频50HZ信号对系统的影响最大,因此,在信号处理中加入50HZ的陷波电路。
计算工公式为:
f=1/2πRC。
2.2.4电平转换电路
由于ADC只能采集正电压,则需对信号进行抬高,分析计算得电路需加3V的直流电平。
2.2.5信号采集部分
语音信号模数/数模转换选择TLC320AD50(以下简称AD50)芯片,AD50使用过采样(oversampling)∑—Δ技术提供从数字信号到模拟信号(DA)和模拟信号到数字信号(AD)的高分辨率低速信号转换。
该器件包括两个串行的同步转换通道(用于各自的数据传输),在DA之前有一个插人滤波器(interpolation filter),在AD之后有一个抽取滤波器(decimdtionfilter),由此可降低AD50自身的噪声。
此外,AD50还具有片内时序和控制功能。
AD50特点如下。
·输入信号。
单端信号输人,幅度在1~4V之间。
·输出信号。
单端信号输出,幅度在1~4V之间。
·单一5V电源供电,也可以使用5V模拟电源和3V数字电源同时供电。
·最大工作功耗为100mW。
·通用16位数据格式,也可以采用2的补码数据格式。
·内部基准电压。
·AD为64倍采样,DA为256倍采样。
·支持各种V.34协议的采样速率。
·具有多种可选的采样频率。
·支持商业级音响应用。
·工作温度范围从-40~850。
AD50的引脚分布如图2.3所示(
(1)为DW封装的引脚分布,
(2)为PT封装的引脚分布)。
图2.3AD50的引脚分布
AD50的各个引脚的说明如表2-1所示。
表2-1AD50的引脚说明
续表
在AD50正常工作前,必须对它进行正确的初始化。
初始化操作的主要工作是配置AD50的4个控制寄存器CR1、CR2、CR3和CR4。
控制寄存器的读写是通过二次通信来实现。
在二次通信中,D0~D7为写人控制寄存器的数据或者从控制寄存器读出的数据,D8~D12的内容决定选择哪个控制寄存器,D13位决定是读操作还是写操作。
由D8~D13位确定的所有情况如表2-2所示。
表2-2 AD50的D8~D13位确定的所有操作情况
控制寄存器1中各个控制位的功能说明如表2-3所示。
表2-3 控制寄存器1的各个控制位的功能说明
控制寄存器2中各个控制位的功能说明如表2-4所示。
表2-4控制寄存器2的各个控制位的功能说明
控制寄存器3中各个控制位的功能说明如表2-5所示。
表2-5控制寄存器3的各个控制位的功能说明
控制寄存器4中各个控制位的功能说明如表2-6、2-7所示。
表2-6 控制寄存器4的各个控制位的功能说明
表2-7控制寄存器4的第4~第6位对应的N值
AD50控制寄存器的设置必须在二次通信中完成。
AD50有硬件和软件两种方式启动二次通信,下面介绍硬仵方式启动AD50的二次通信过程。
硬件启动过程如下:
C5409通过其内部寄存器将XF引脚变为高电平,从而控制AD50的FC引脚到高电平,然后向缓冲串口写一个16位的控制字,低8位是AD50的控制寄存器初始化值,高8位选择所要初始化的控制寄存器及操作。
整个过程的时序如图2.4所示。
图2.4硬件启动AD50二次通信时序
AD50的工作过程可分为AD通道工作过程和DA通道工作过程。
AD通道把模拟信号转换成数字信号,并以2进制补码形式表示。
当帧同步信号有效时(FS为低电平),16位(或者15位)数字信号在SCLK的上升沿输出到DOUT引脚,一位数据对应一个SCLK周期。
传输时序如图2.5所示。
图2.5AD50的AD通道数据传输时序
AD50的DA通道把送人的数字信号转换成模拟信号。
在SCLK的作用下,数字信号通过DIN引脚进人DA通道,每个SCLK的下降沿输人一位数字信号。
DA将输入的数字信号转换成模拟信号输出,DA通道的传输时序如图2.6所示。
图2.6AD50的DA通道数据传输时序
AD50的前后端信号处理包括两个处理电路:
输人模拟信号的处理电路和依据输出模拟信号的处理电路。
这两个处理电路的主要作用是将信号进行处理,使之更加适合AD和DA的要求。
为了达到更好的信号处理效果,AD50的模拟信号输人一般采用差分输人方式,即使用两个运算放大器,将单端输入信号转换成差分输人信号,电路连接如图2.7所示。
图2.7AD50单端信号转换成差分信号
由图可知,单端输人信号经过两个22μF的隔直电容,送人运算放大器的反相端,输出反相信号IMP;IMP再输人到另一个信号的反相端,输出同相信号INP,从而形成差分输人信号INP和IMP。
图中的运算放大器选择的是TI公司的TLC4502,也可以选用其他可替代的运算放大器芯片。
除了使用上述的运算放大器外,也可以使用变压器将单端信号转换成差分信号输人到AD50,如图2.8所示。
图2.8使用变压器将单端信号转换成差分信号
图中推荐的值为50Ω,Rin为22Ω,Cin为10μF,这些元件的值也可以根据具体的信号进行调整,一般清况下电阻值在10~100Ω之间,电容值在10~200pF之间。
AD50的DA输出为差分信号,可以直接驱动600Ω的负载。
DA输出处理电路如图2.9所示。
图2.9AD50的DA后端输出信号处理
AD50的去耦合电容的连接如图2.10所示。
图2.10AD50的去耦合电容的连接
AD50的模拟电源和数字电源可以使用一个电感连接在一起,连接方法如图2.11所示。
图2.11AD50模拟和数字电源的连接
2.3时钟信号产生电路
通过计算,对模拟信号的采样速率为25.6KHz,则需产生25.6KHZR的方波.作为A/D转换数据的速率。
可采用单片集成
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- 音频 传输 系统 设计方案 实现 初稿