基于DSP的语音采集回放处理系统的设计

代淑芬

摘 要：DSP语音采集回放处理平台是以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。

关键词：DSP；语音采集；电路

1 系统方案的设计

本系统是基于TMS320VC5402 DSP的最小系统设计，通过标准同步串口实现DSP与AD50之间的数据通信，结合模拟滤波电路、模拟放大电路和功放电路，并在此基础上实现对语音信号的FIR滤波，以验证该系统的可用性、可靠性、稳定性及其实用性。

1.1 系统方案选择

系统模块主要有：基于TMS320VC5402芯片最小系统电路、电源。AD和DA属于子板内容。

设计时基于系统的实用性和可扩展性考虑，对DSP的数据线和地址线，HIP口，串行口，都引出引脚以备扩展用，电源的设计也考虑到了后面子板的需要。

1.2 系统硬件设计

1.2.1 系统框图

系统设计以DSP芯片为核心，对其各个接口进行扩展，图1为系统框图 。

图1 系统框图

1.2.2 电源设计

TMS320C5402的I/O工作电压是3.3V，因此，其I/O电平也是3.3V逻辑电平。在设计DSP系统时，除了DSP芯片外，必须设计DSP芯片与其他外围芯片的接口，如果外围芯片的工作电压也是3.3V，那么就可以直接连接。本次设计在系统一开始构建时就考虑到这问题，为了使设计简单化，节省制作时间，在器件的选用上，都采用3.3V的。

1.2.3 复位电路

系统上电后，晶体振荡器一般需要100～200ms的稳定期，同时DSP芯片也正处于复位状态。为使芯片初始化正确，一般应保证为低至少持续3个CLKOUT周期。

1.2.4 时钟电路

给DSP芯片提供时钟是利用DSP芯片内部所提供的晶振电路，在DSP芯片的X1和X2/CLKIN之间连接一个晶体起动内部振荡器。

1.2.5 JTAG接口

DSP芯片内部是通过移位寄存器扫描链实现扫描仿真，这个扫描链被外部的串行口访问。采用扫描仿真，即使芯片已经焊在电路板上，也可以进行仿真调试，这对于调试DSP系统带来极大的方便。C5402 DSP的仿真器接口采用JTAG标准IEEE 1149.1。目标代码通过扫描接口从PC下载到目标系统的存储器中，一般下载1K字节的代码需要100ms。

1.2.6 存储器接口

此次设计对存储器进行扩展，因为C5402具有20条地址线，所以映射程序空间最大为16页（64K16bit/页），即1024K16bit的空间大小。当OVLY=1时，第一頁至第15页的低端16K16bit是映射到第0页上的相应地址处；当OVLY=0时，这些页是独立的。

1.2.7 串行口与A/D/A的接口

TMS3205402有两个串行口，每个串口都有数据接收、发送端，接收、发送时钟信号，还有接收、发送同步信号。通过这些端口对TLC320AD50进行控制，就能够实现DSP与外部数据的交流。TLC320AD50C是TI公司的语音编码芯片，作A/D，D/A转换用。片内采用∑-△转换方法，16位线性编码，最高采样率可达22.05KHz。本设计用8KHz采样，在语音信号中是足够的，内置时钟分频及PLL电路组成可编程采样率发生器，使用8.192MHz有源晶振作时钟源。

1.2.8 外部功放

外部通过麦克风对语音进行采集，对采集到的语音进行滤波，放大，再将处理过的信号送入A/D，通过D/A将语音送到功放，最后经过耳机送出。

1.2.9 FIR滤波器的设计

数字滤波是语音和图像处理、模式识别、谱分析等应用中的一个基本的处理算法。与模拟滤波相比，数字滤波具有很多突出的优点，例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求，可以避免模拟滤波所无法克服的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用DSP芯片实现数字滤波除了具有稳定性好、精度高、不受环境影响等优点外，还具有灵活性好的特点。本次设计的是FIR滤波器。首先通过MATLAB进行FIR滤波器的设计，求出滤波器系数。具体做法如下：

通过MATLAB中的滤波器设计工具箱，进行参数设置。主要处理的是语音信号，因为信号中含有50HZ的交流信号，要把这部分信号滤掉，因此采用带通滤波。通带为60HZ—3400HZ。采样频率Fs=8KHZ，第一截止频率Fstop1=60HZ，第一通带频率Fpass1=200HZ，第二通带频率Fpass2=3400HZ，第二截止频率Fstop2=3600HZ。 滤波系数求出后，可设计该滤波器。在C54X系列的DSP中用macd指令完成卷积运算。

2 系统调试

2.1 调试方法

电路设计时各系统里模块分明、信号流向清晰，因此调试时按照信号流向进行调试，分模块校准，具体为先按信号流向顺序后整机参数较检的方法测试参数数据，提高了调试效率。

2.2 硬件调试

首先，检查电源电路。先检查电源与地、电源与电源之间有没有短路；再上电检查，用万用表测试各电源电压。无误后检查各芯片电源引脚的电压准确性。

第二，确保电源无误，焊接DSP芯片及其基本外围电路复位、时钟和XF测试灯LED。确保引脚间不短路后，上电测试DSP芯片时钟输出端时钟状态正确性，然后编写一个简单的测试程序验证DSP芯片的工作情况，让XF测试灯闪烁。

第三，完成以上两个步骤后再逐个焊接其他贴片芯片并逐个检查验证无误后最后再焊接插针等扩展接口。

第四，对子板的调试。为了保证采集到的信号能够减少干扰，并对信号放大10倍，在开始设计的时候单独制作该部分电路。在调试的过程中，滤波电容和耦合电容的接入是很必要的。在信号线经过的线路，要尽量的短，线尽量粗。目的是减少不必要的干扰，实验证明效果很好，语音很清晰。

第五，A/D、D/A模块的调试。在调试的过程中，先在A/D的输入端输入一正弦波，f<8KHZ，电压不大于1V，在D/A的输出端用示波器观察输出，可看到一个与输入频率相同的正弦波，但幅值稍有不同。要注意的是，这部分电路在调试时要单独调试，不要与前端运放相连。因为信号经过运放后，波形已经有一定的失真，不好观察A/D、D/A的效果。

2.3 软件调试

软件调试使用CCS2.0 DSP开发软件。调试时以C语言编程为主，结合简单的C与汇编混合编程。测试XF引脚的工作状态。用指令“asm（“ ssbx xf”）和asm（“ rsbx xf”）”对XF引脚操作。AD数据采集。AD50能达到22.05KHZ的采样率。

对采集到的语音信号进行FIR滤波运算。程序采用中断的方法。主程序一直在等待中断，当有新数据到达DRR端时，触发中断，调用中断程序，并运行中断程序。通过CCS2.0观察比较滤波前后的波形，可以看到语音经过FIR滤波后， 200Hz以下的信号被明显的抑制，降低了二十几个dB，并且3600Hz以上的频率分量明显被抑制。

3 结语

本次设计硬件上完成了一个基于TMS320C542芯片的单通道语音信号处理平台的设计，包括电源电路、复位电路、时钟电路，子板包括A/D/A与DSP的接口电路、滤波电路、放大电路。并在此平台上用FIR滤波算法对语音信号进行滤波处理，经过测试，证明了本系统板的开发集可用性、实用性、可靠性、稳定性和灵活性于一身，为普通用户提供了一个实用的DSP开发平台。系统开发空间大，接口方便，使用灵活，便于用户扩展功能。

参考文献：

[1] 魏一.浅析安防芯片技术的应用和发展[J].中国安防.2010（06）：42-44.

[2] 李纯静，沈保锁.ITU-T G.723.1语音编码算法分析及优化策略[J].电子测量技术.2007（09）：104-106.

[3] 胡涛，陈超.TLV320AIC23B与TMS320DM642的接口设计[J].仪表技术与传感器.2006（06）：36-37.

[4] 曹华，周德新.G.729标准与G.723.1标准编码方法区别的研究[J].信息技术.2005（08）：146-148.

[5] 崔慧娟.数字信号处理器 第五讲 G.729A语音编码TMS320VC5416 DSP实时实现（下）[J].世界电子元器件.2005（07）：37-40.

[6] 徐淑正 ，汪蕙 ，杨华中 ，等.TMS320C30与A/D和D/A接口的设计[J].电子技术应用.2002（06）：78-80.

[7] 乔春霞.基于DSP的语音信号实时采集与处理的研究[J].科技信息.2010（20）：628-629.

[8] 李世軍，郭照南，黄锋，等.基于DSP的数字语音采集系统的设计[ J].湖南工程学院学报： 自然科学版.2009（03）：14-16.

[9] 刘炜彬.基于DSP的语音系统设计[J].黑龙江科技信息.2009（30）：43.

[10] 段丽娜.浅谈DSP技术的应用和发展前景[J].科技风.2010（24）：.

[11] 韩萌，刘晟.浅谈DSP技术的应用和发展前景[J].科技信息.2009（24）：148.

[12] 邓彦松，向伟，王丹.基于DSP的语音信号处理系统设计[J].中国集成电路.2007（04）：43-45.

[13] 蒋永生，张雄伟，曾宏辉.一种基于DSP的语音处理系统软硬件设计[J].电力系统通信.2007（11）：56-58.

[14] 王彬生，刘梅锋.基于DSP的语音采集与回音效果的系统实现[J].电子元器件应用.2007（10）：36-38.

[15] 张桂香，高爱国.语音信号采集和处理方法的研究[J].高师理科学刊.2007（02）：38-40.

[16] 周开利.基于子波变换的语音信号压缩[J].海南大学学报： 自然科学版.2002（02）：102-103.

[17] 屈丹，王炳锡.语音信号元音检测的新方法[J].声学学报.2003（01）：17-20.