DSP录音机设计课程设计.doc

沈阳理工大学dsp技术课程设计报告各专业全套优秀毕业论文图纸目 录 1设计原理及内容 .11.1语音编码原理11.2设计内容1 1.2.1 基本部分. 1 1.2.2 扩展部分. 1 2 设计资源介绍2 2.1 多通道缓冲串行口mcbsp.2 2.1.1 工作原理 .2 2.1.2 相关头文件 . 2 2.2 tlc320ad50 codec编码译码器 . 2 2.3 存储器 . 3 2.4压扩硬件 . 4 2.5 麦克风和耳机接口 . 53 设计思想 5 3.1实验方案 . 54 .程序设计. 6 4.1 程序流程图 . 6 4.2各个分块程序设计 . 75.程序清单 . 96 操作步骤和结果 . 197 参考文献 . 20- i -1. 设计原理与实验内容1.1语音编码原理：（1）概念：语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码。pcm编码即脉冲编码调制。波形编码的最简单形式就是脉冲编码调制（pulse code modulation），这种方式将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表示，并用脉冲对采样幅 度进行编码，所以叫做脉冲编码调制。 脉冲编码调制没有考虑语音的性质，所以信号没有得到压缩。 （2）量化：脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化，即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化方式。但是均匀量化有缺点，在信号动态范围较大而方差较 国际上有两种非均匀量化的方法：a律和律，律是最常用的一种。在美国，7位律是长途电话质量的标准。 而我国采用的是a律压缩，而且有标准的（3）dpcm&adpcm： 降低传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。相邻的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得到压缩。因为差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。这种编码叫differential pcm,简称dpcm，即差分脉冲编码调制。 1.2 设计内容：1.2.1基本部分：（1）使用dsp实现语音压缩和解压缩的基本算法，算法类型自定，例如可以采用g.711、g.729等语音压缩算法。（2）采用a/d转换器从mic输入口实时采集语音信号，进行压缩后存储到dsp的片内和片外ram存储器中，存储时间不小于10秒。（3）存储器存满之后，使用dsp进行实时解压缩，并从speaker输出口进行回放输出。（4）使用指示灯对语音存储和回放过程进行指示。1.2.2发挥部分：使用多种算法进行语音的压缩、存储和解压缩，比较它们之间的优缺点。2. 设计资源介绍2.1多通道缓冲串行口mcbsp2.1.1工作原理c5402 具有2 个高速的全双工同步串行口，可用来与系统中的其它c54x 器件、编码解码器、串行a/d、d/a 转换器以及其它的串行器件直接接口。这两个串行口均为多通道缓冲串行口mcbsp（multi-channel buffered serial port）。它支持全双工通信，双缓冲数据寄存器，允许连续的数据流，可以与工业标准的编/解码器、aics 接口。支持多种方式的传输接口，如t1/e1 帧协议、mvip 帧方式、h.100 帧方式、scsa 帧方式、iis 兼容设备等。可与多达128 个通道进行收发。支持传输的数据字长可以是8bit、12bit、16bit、20bit、24bit 或32bit。内置-律和a-律压扩硬件。其硬件结构图如左图1所示。 mcbsp接口提供了以下7个引脚信号用于与其他设备的通讯：dr： 串行数据接收引脚，输入dx： 串行数据发送引脚，输出clkx：发送时钟，输入或输出，可编程clkr：接收时钟，输入或输出，可编程 图1fsx： 发送帧同步信号，输入或输出，可编程fsr： 接收帧同步信号，输入或输出，可编程 clks：外部时钟，输入2.1.2 相关头文件 在ccs 集成开发环境中，与mcbsp相关的头文件有：regs54xx.h、mcbsp54.h。在这两个头文件中，定义了mcbsp串口的寄存器资源以及使用方法。在reg54xx.h 头文件中，定义了mcbsp 中寄存器的地址和基本访问方式，以及寄存器的各个比特域和访问方法。在mcbsp54.h 头文件中，定义了与mcbsp 相关的宏函数（macro functions）和函数。regs54xx.h、mcbsp54.h 这两个头文件是c 语言下对mcbsp 编程的基础，我们不仅可以用在5402 dsk 板的编程上，而且可以用在其它的c54x 的dsp 硬件编程上。2.2 tlc320ad50 codec 编码译码器ad50是一款sigma-delta型单片音频接口芯片。它内部集成了16位的d/a和a/d转换器，采样速率最高可达22.05kb/s，其采样速率可通过dsp编程来设置。在dac之前有一个插值滤波器以保证输出信号平滑和adc之后有一个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比。 （1）内部结构及工作原理ad50内部有7个数据和控制寄存器，用于编程控制它们的工作状态。 寄存器0：空操作寄存器。 寄存器1：软件复位 ,软件掉电,选择16位或15位工作方式,硬件或软件二次通信请求方式的选择。 寄存器2：使能altdata输入端 ,为adc选择16/15位方式 。寄存器3：选择fs与fsd之间延迟sclk的个数，告诉主机有几个从机被联上 。寄存器4：为输入和输出放大器选择放大器增益 ，选择n来设置采样频率，fs=mclk/（128*n）或mclk/（512*n），在mclk输入端使能外部时钟输入并旁通内部的pll 。寄存器5，6：保留 （2）与ad50有关的相关头文件在ccs 集成开发环境中，与tlc320ad50 codec 编译码器相关的头文件是codec.h。它位于c:tic5400dsk5402include 目录下。在这个头文件中，定义了与ad50 codec 相关的枚举变量和库函数。除了可以调用codec.h 中提供的库函数之外，我们还可以利用这些枚举变量重新编写自己的codec 函数，使用枚举变量相或产生所需要的ad50 寄存器的初始化值。codec.h 中的库函数位于函数库dsk5402.lib 和 drv5402.lib 中。函数库dsk5402.lib 和 drv5402.lib 是作为两个单独的文件，连同include 文件和头文件一起提供给用户的，如果你的应用程序中用到了其中的库函数，就需要与这两个函数库进行链接（link）dsk5402.lib 是一个主要的函数库，其内部使用了drv5402.lib 的头文件。2.3 存储器（1）外部数据存储器sramtms320c5402tlc320ad50tlc2272模拟输入flash romlm386模拟输出dsk提供了64k*16位的sram，sram工作在+3v的电源电压。可以使用的外部数据存储器的大小取决于drom的设置。如果drom=0，那么0x40000xfff(48k字)的空间是外部存储器（flash或sram）。如果drom=1，外部存储器只能使用0x40000xefff.dmsel控制寄存器位决定访问板上或扩展板的存储器。如果dmsel=0（缺省），使用板上的数据存储器；如果dmsel=1，使用扩展板存储器，并且地址开始于0x8000(块的大小取决于drom位)。数据存储器空间资源也取决于mp/mc状态。（2）i/o空间存储器io 空间是由2 部分组成，一个是系统基于cpld 控制空间，另一个是扩展板存储器空间。dm_sel 位能够控制io 空间的访问。如果dsp 向此位写1，那么扩展板存储器的io 空间是不能被访问的。如果向此位写0，那么扩展板存储器的io 空间是可以被访问的。2.4压扩硬件 在通信中常常利用u律和a律对数据进行压扩处理，tms320c54x在mcbsp中提供了专门的硬件实验这一功能。压扩处理时，cpu访问到的都是16位的，他分别是利用线性的14位数据（u律）和13位（a律）数据左对齐获得的。压扩处理有两种实现方法：方法一：当串行口的发送和接受部分都处于复位状态时，drr1和dxr1内部通过压扩逻辑连接在一起，数据从dxr1写入并根据xcompand处理，然后根据rcompand再处理，在4个cpu时钟后从drr1中读出数据。该处理比软件实现快，不利之处在于处理完后没有同步信息通知cpu和dma。方法二：在数据环回模式下，mcbsp也实现了一种内连。数据处理与第一种方法相同，但它可以提供中断信号（或同步事件）给cpu（或dma）。这里数据处理的时间是根据串行口的比特律确定的。2.5 麦克风和耳机接口音频接口使用了2 个工业标准的3.5mm 的连接器：一个连接麦克风的音频输入；一个连接耳机的音频输出。（1）音频输入是交流偶合的并且包括：1 个固定增益为10db 的放大器；实现单端到差分的转换（在此之前，连接到dsp 的mcbsp1 上的tlc320ad50对其进行数字化）；电压偏置（支持电池电源和驻极体麦克风）；被动滤波（在dsk 的音频插口和codec 之间）用来增强性能，为驻极体麦克风设计的麦克风的输入它需要一个电压偏置。如果使用电容来隔离偏置电压，就能够使用动态的麦克风。麦克风的输入信号最大允许标准是500mv（350mvrms）。在dsk上有10db前置放大器增益。（2）音频输出是可以编程控制的，在软件的控制下，可以在6db增幅的范围内，增加增益+0+2db。音频输入可以编程控制的，在6db增幅范围内，提供+0+12db的增益。3 .设计思想3.1实验方案：用板内的ad/da转换器ad50将由mic输入的模拟信号转换为16位数字信号送入dsp板中进行压缩处理，压缩处理后的数据经过解压后再送至da转换器转换为模拟信号，由speaker口输出，压缩和解压缩用a律格式，从而实现语音信号的采集压缩与回放。 统计表明对于每一个讲话者来说，语音中小幅度成分出现的概率要比大幅度多得多，为了在语音信号的整个动态范围内都可以接受低电平信号，量化电平必须照顾到语音的低电平信号，极低电平的量化间隔要小，高电平的量化间隔要大。a律的压缩可以按照下列公式进行定义：式中，a是压缩参数（在欧洲，a=87.6）x是需要压缩的归一化整数。从线性到a律的压缩转换如下表所示：压缩后的码字组成：比特0-3表矢量化值，比特4-6表示段值，压缩后的码字符号放在比特7，为了简化未写出.压缩前的码字丢弃的比特数压缩后的码字输入值段值，量化值比特：11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0比特：6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 a b c d x 10 0 0 a b c d 0 0 0 0 0 0 1 a b c d x1 0 0 1 a b c d 0 0 0 0 0 1 a b c d x x2 0 1 0 a b c d 0 0 0 0 1 a b c d x x x 3 0 1 1 a b c d 0 0 0 1 a b c d x x x x 5 1 0 0 a b c d 0 0 1 a b c d x x x x x6 1 0 1 a b c d 0 1 a b c d x x x x x x 7 1 1 0 a b c d 1 a b c d x x x x x x x 8 1 1 1 a b c d a律的扩展可定义为：从a律到线性扩展的转换如下表：压缩过的码字 偏值的输入 段值,量化值比特: 6 5 4 3 2 1 0比特: 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 a b c d 0 0 0 0 0 0 0 a b c d 1 0 0 1 a b c d 0 0 0 0 0 0 1 a b c d 1 0 1 0 a b c d 0 0 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 1 1 a b c d 0 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 1 0 0 a b c d 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 0 1 0 1 a b c d 0 0 1 a b c d 1 0 0 0 0 1 1 0 a b c d 0 1 a b c d 1 0 0 0 0 0 1 1 1 a b c d 1 a b c d 1 0 0 0 0 0 0 4. 程序设计4.1程序流程图4.2各个分块程序设计（1）初始化dsk程序段：if (brd_init(100) return;程序分析：brd_init()函数原型为：s16 brd_init(unsigned int cpufreq)参数cpufreq表示cpu的工作频率，单位为mhz。提供的频率必须是10倍数，最小为20mhz，最大为100 mhz。20，30，40，50，60，70都可以。brd_init()返回参数为0则表示初始化成功，如果返回1，则表示初始化失败，执行return，继续执行初始化。（2）初始化a/d50c程序程序段：void initcodec(void)/*获取设置dac的句柄 */ hhandset = codec_open(handset_codec); / acquire handle to codec /*设置dac的工作参数*/ codec_dac_mode(hhandset, codec_dac_15bit); / dac in 15-bit mode codec_adc_mode(hhandset, codec_adc_15bit); / adc in 15-bit mode codec_ain_gain(hhandset, codec_ain_12db); / 6db gain on analog input to adc codec_aout_gain(hhandset, codec_aout_minus_6db); / -6db gain on analog output from dac codec_sample_rate(hhandset,sr_16000); / 16khz sampling rate （3）flash存储器的初始化void flashenable(void)cpld_ctrl2_reg|=0x0010;cpld_dmctrl_reg|=0x0040;（4）语音信号采集存储与回放程序while(1) /判断mcbsp是否做好接收准备 while (!mcbsp_rrdy(handset_codec) ) ; /从a/d读取转换数据 din = *(volatile u16*)drr1_addr(handset_codec);din=amp*din; dacdatai=din;/ 将数据写入d/a转换器*(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec) =dacdatai;i=i+1; 程序分析：1. while (!mcbsp_rrdy(handset_codec) ) ; 获取mcbsp是否做好接受的准备信息2. *(volatile u16*)drr1_addr(handset_codec) 定义数据接收寄存器1的地址3. din=amp*din;dacdatai=din; 对输入信号进行语音处理（5）闪灯程序程序段：/*闪灯*/void led(s16 cnt)while ( cnt- )brd_led_toggle(brd_led0);delay(1000);brd_led_toggle(brd_led1);delay(1000);brd_led_toggle(brd_led2);delay(1000);程序分析：此函数用了一个while循环语句实现cnt次灯闪，通过调用delay子函数控制灯闪灭时间，其中brd_led_toggle（）表示切换用户led，改变用户控制led02的状态。五 程序清单#include #include #include #include #definesign_bit(0x80)/* sign bit for a a-law byte. */#definequant_mask(0xf)/* quantization field mask. */#definensegs(8) /* number of a-law segments. */#defineseg_shift(4) /* left shift for segment number. */#defineseg_mask(0x70)/* segment field mask. */*/* 函数声明 */*/void delay(s16 period);void led(s16 cnt);void initcodec(void);void flashenable(void);unsigned char data2alaw(s16 pcm_val);int alaw2data(unsigned chara_val);static int search(int val,short*table,int size);/*/* 全局变量 */*/handle hhandset;s16 data;s16 data1;u16 i=0;u16 temp1;u16 j=0;u16 k,l=0;u8 temp2;u16 buffer15000;static short seg_end8=0x1f,0x3f,0x7f,0xff,0x1ff,0x3ff,0x7ff,0xfff;/*/* 主函数 */*/void main() if (brd_init(100) return; led(2); /闪灯两次 initcodec(); /初始化codec flashenable(); /选择片外flash为片外存储器 /* delay(100); brd_led_toggle(brd_led0); for(i=0x9000;i0xefff;i+) reg_write(i,*(volatile u16*)drr1_addr(handset_codec); delay(20); brd_led_toggle(brd_led1); delay(200); for(i=0x9000;i0xefff;i+) *(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec)=reg_read(i); delay(20); brd_led_toggle(brd_led2); */ while (1) while (!mcbsp_rrdy(handset_codec) ; /等待接收handset处的采样 data = *(volatile u16*)drr1_addr(handset_codec); /从handset处读取采样 temp1=data2alaw(data); /对采样进行a律压缩 /*/ /* 把低地址数据放在高八位 高地址数据放在低八位 */*/ i=i+1; if(i%2=1) bufferj=(temp1=30000) i=0; if(j=15000) j=0; brd_led_toggle(brd_led1); /点亮二极管1 delay(1000); /延时1000 brd_led_toggle(brd_led1); /熄灭二极管1 表示放音开始 /*/* 放音部分 */*/ for(k=0;k8)&0x0ff; else temp2=bufferl&0x0ff; l+; if(l=15000) l=0; data1=alaw2data(temp2); while (!mcbsp_xrdy(handset_codec) ; *(volatile u16*)dxr1_addr(handset_codec) = data1; /*/ /* 放音结束 */*/ if(k=29999) brd_led_toggle(brd_led0); /点亮二极管0 delay(1000); /延时1000 brd_led_toggle(brd_led0); /熄灭二极管0 表示录音开始 /主程序结束/*/* 子函数 */*/*延时*/void delay(s16 period) int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); /*闪灯*/void led(s16 cnt)while ( cnt- )brd_led_toggle(brd_led0);delay(1000);brd_led_toggle(brd_led1);delay(1000);brd_led_toggle(brd_led2);delay(1000);/*初始化codec*/void initcodec(void) /* open handset codec */ hhandset = codec_open(handset_codec); / acquire handle to codec /* set codec parameters */ codec_dac_mode(hhandset, codec_dac_15bit); / dac in 15-bit mode codec_adc_mode(hhandset, codec_adc_15bit); / adc in 15-bit mode codec_ain_gain(hhandset, codec_ain_6db); / 6db gain on analog input to adc codec_aout_gain(hhandset, codec_aout_minus_6db); / -6db gain on analog output from dac codec_sample_rate(hhandset,sr_8000); / 8khz sampling rate /*设置flash*/void flashenable(void)cpld_ctrl2_reg|=0x0010;cpld_dmctrl_reg|=0x0040;/*a律压缩*/unsigned char data2alaw(s16 pcm_val) intmask;intseg;unsigned charaval;if (pcm_val = 0) mask = 0xd5; / 标记 (7th) bit = 1 else mask = 0x55; / 标记 bit = 0 pcm_val = -pcm_val;/ convert the scaled magnitude to segment number. seg = search(pcm_val, seg_end, 8); / combine the sign, segment, and quantization bits. if (seg = 8) / out of range, 返回最大数. return (0x7f mask);else aval = seg seg_shift;if (seg 1) & quant_mask;elseaval |= (pcm_val seg) & quant_mask;return (aval mask);/*alaw的子程序*/static int search(int val,short*table,int size)inti;for (i = 0; i size; i+) if (val = *table+)return (i);return (size);/*a律解压*/int alaw2data(unsigned chara_val)intt;intseg;a_val = 0x55; t = (a_val & quant_mask) seg_shift;if(seg=0) t += 8; t=(t3);if(seg0) t +=0x108; t=(t(4-seg);if(seg3)t+=0x108;t=(t pram page 0 .text pram page 0 .vectors vecs page 0 init_var pram page 0 detect pram page 0 vrcprg pram page 0 matprg pram page 0 .stack stack page 1 .trap scratch page 1 .const exram page 1 .data exram page 1 .bss exram page 1 .cio exram page 1 .switch exram page 1 tables exram page 1 var exram page 1 svctab exram page 1 /* ss_v lsp table */ vctab exram page 1 /* v lsp table */ uvctab exram page 1 /* uv lsp table */ cuvtab exram page 1 /* stochastic codebook */ cdbktab exram page 1 /* various codebook tables*/ logtab exram page 1 /* table for log2 */ powtab exram page 1 /* table for pow2 */ hamtab exram page 1 /* table for hamming */ lgwtab exram page 1 /* table for lag window */ acostab exram page 1 /* table for arccos */