摘 要： 介紹一種高保真的音頻信號處理系統，給出了前端音頻信號調理電路設計，實現了DSP芯片TMS320VC5410與語音轉換芯片TLC320AD50C的硬件接口設計，并通過FIR算法實現了對音頻信號的處理。測試結果表明，此音頻處理系統達到預期要求。
關鍵詞： DSP；AD50；音頻信號處理；放大器；FIR算法
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傳統的音頻產品及音頻處理大都使用模擬設備，體積大、精度低、容易受環境影響，而且易受元件老化的影響。使用數字音頻處理器，則使設備體積大大縮小，精度得到提高，而且數字設備受環境影響較小，減輕了受元件老化的影響。音頻信號處理是利用算法對采集的音頻信號進行變換處理實現的。隨著科學技術的進步及各種新型數字音源的相繼出現，如數字廣播、數字電視、網際多媒體廣播、移動通信等，對數字音頻處理系統應用的需求日益增加。IT領域的科技成果越來越普遍地應用于視、音頻領域并大大地推動了視、音頻科技的進步，其中 DSP在音頻領域內的應用就是一個很好的例子。本文著重設計了DSP與AD50的硬件接口、音頻信號處理的FIR算法實現以及AD50前端的信號調理電路設計。這種設計方法可在IP電話和多媒體通信中廣泛應用。
1 系統構成與工作原理
在本次設計中，數字信號處理器TMS320VC5410(以下簡稱DSP)是主要核心部分，它在控制TLC320AD50(以下簡稱AD50)的同時還進行數字信號處理。AD50主要進行A/D和D/A轉換。其基本構成如圖1所示。
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對于音頻輸入而言，可以通過MP3播放器將音頻信號輸入到放大器；也可以通過PC機的音頻線將音頻信號輸入到放大器，本設計采用后者。
系統基本工作原理：通過PC機輸出音頻信號，由于此音頻信號很微弱，所以需要放大，這樣可以提高采樣精度。由于AD50采用的是差分輸入，可以提高共模抑制比，大大減少了共模信號，得到了較高信噪比的音頻信號，為后面的采樣提供了失真度很小的音頻信號。AD50把得到的數字信號通過DSP的多通道緩沖接口(MCBSP)傳給DSP進行處理。DSP經過處理后再把音頻信號輸入到AD50，然后通過AD50輸出，這樣就可以把音頻信號無失真地還原出來，實現了音頻信號的處理。本設計主要實現以下功能：
(1)對原始的音頻信號放大，把放大的音頻信號轉化為差分信號。
(2)DSP通過MCBSP控制AD50采樣和接收音頻數據。
(3)DSP通過軟件處理使原始音頻信號還原出來(數字信號)，然后通過MCBSP發給AD50轉換成模擬信號。
2 系統硬件設計
本設計的音頻處理系統主要分為音頻信號調理模塊和數據采集與處理模塊。
2.1 音頻信號調理模塊
音頻信號調理模塊分為放大電路和差分電路兩部分。
在放大電路中，放大器采用美國德州儀器公司的TLC2272，是單芯雙運放放大器，具有相當好的AC性能，有更好的輸入失調電壓、噪聲和功耗性能，增益帶寬為2 MHz，轉換速率為3 V/μs。
??? 在放大電路中(圖2)，電源采用雙電源±5 V供電，輸入信號采用反向輸入，即輸入電壓與輸出電壓的相位相差180°。C1和R1組成反饋回路，C4、C5起隔直通交和耦合作用(可以通過JP1短接)，R4和R2并聯組成可調的電阻R，由放大電路的原理可知：放大倍數A=R1/R，所以本次設計的放大器的增益是可調的。電容C2、C3起耦合作用。
在圖3所示的差分電路中也采用TLC2272，作用是把輸入信號轉化成差分信號。由放大器的原理可知， 3個反向輸入放大器的放大倍數都為1(因為反饋回路的電阻與輸入回路的電阻之比是1：1)。由圖可知，Input端口的信號與in_m的信號同相，而與in_p信號反相，這兩個信號分別接入到AD50的INP和INM引腳，這樣就得到差分信號，提高了共模抑制比，大大減少了共模信號，得到了高信噪比的音頻信號。C3和C8作為前后級放大器的耦合電路。
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2.2 數據采集與處理模塊
數據采集與處理模塊由DSP和AD50組成，AD50集成了16位A/D和D/A轉換器，采樣速率可達22 Kbit/s，它具有7個控制寄存器，AD50的采樣頻率由控制寄存器4設定。當選擇PLL模式時(D7=0)，采樣頻率為：
AD50內部在ADC轉換后有抽樣濾波器，DAC轉換前直插濾波器，AD50與DSP 的通信數據格式采用16位的二進制。AD50的16位的傳輸時序圖如圖4，FS為幀同步信號。
DSP提供了3個多通道緩沖串行口(MCBSP)，為模數接口的設計提供了極大的便利。MCBSP提供了全雙工的傳輸機制，數據長度可以為8、12、16、20、24、32位。數據經MCBSP的DR和DX引腳傳輸，控制信號由CLKR、CLKX、FSR、FSX 4個引腳決定(圖5)。本設計中，AD50的時鐘由DSP提供，AD50工作在從模式。DSP和AD50的接收數據和發送數據共用一個時鐘，避免了時序沖突，提高了可靠性。
3 算法設計
通過設計一個FIR低通濾波器對輸入的音頻信號進行濾波處理來說明對音頻信號的處理實現過程，由此可以推廣到其他的處理方法。
FIR濾波器的差分方程為：
式(3)中：x(n)是輸入序列；y(n)是輸出序列；ai是濾波器的系數；N是濾波器的階數，其橫向濾波結構圖如圖6所示。
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取音頻信號的采樣頻率為10 kHz，N=64，利用MATLAB得到低通濾波器，其函數為：
B=FIR(N，W) (5)
式中：B是濾波器的系數；N是濾波器的階數；W是濾波器的截止頻率[2]。
由式(3)可知：不斷地輸入樣本，經過延時一個單位，再和濾波器的系數進行乘法累加運算，最后得到輸出序列y(n)。程序流程圖如圖7所示。
在CCS5000開發平臺下創建源文件。本軟件采用C語言和匯編語言混合編寫，經過編譯、調試，生成可執行文件?鄢.out。最后把*.out文件下載到芯片運行，部分源代碼如下：
STL? A，*FIR_DATA_P+%；更新數據
NOP??? ；
MVMD?? FIR_DATA_P，f32_p
RPTZ A?? ，#63
MAC*FIR_DATA_P+0%，*FIR_COFF_P+0%，A；濾波
NOP
NOP
STH A，*(_ sample)
4 實驗結果
在CCS5000開發平臺下，為了便于分析，采用探針，把帶紋波的方波信號作為信號輸入，經過CCS仿真后輸入信號與輸出信號的時域和頻域的對比結果如圖8所示。
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從以上處理的效果來看，方波信號由基波信號和高次諧波組成，由于采用了低通濾波器處理，高頻信號（疊加在方波信號上面的紋波）得到有效抑制，低頻信號得到保留(音頻信號的帶寬主要在低頻)，最后輸出比較平滑的信號（主要是基波信號），由此證明了系統的低通性能，驗證了此音頻處理系統的正確性。讀者只要在這個硬件平臺上改變算法就可以得到不同的音頻效果。
實驗結果表明，由于在音頻信號采集前端增加了放大電路和差分電路，提高了共模抑制比，大大減少了共模信號，得到了高信噪比的音頻信號，而在DSP內部又采用了FIR濾波算法，因此設計的高保真音頻信號處理系統完全實現了音頻信號的實時處理。該音頻信號處理系統可以在IP電話和多媒體通信中得到廣泛應用。
參考文獻
[1] 丁玉美，高西全.數字信號處理[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.
[2] 李夕紅，祝忠明.基于DSP5402的音頻處理與實現[J].電聲技術，2006(12).
[3] 祝忠明.DSP實驗應用指導[Z].成都：成都理工大學信息工程學院，2002.
[4] TMS320VC54xDSP Applications Guide.Texas Instrument.1999.
[5] TLC2272 datasheet.Texas Instrument，2000.
[6] TLCAD50C datasheet.Texas Instrument，1999.