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1、1利用DSP实现语音信号采 集与分析 1 引言 2 语音codec芯片TLV320AIC23的设计和控制原理 3 I2C模块 4 本章小结 习题与思考题2近二十年来，全球半导体产业的飞速发展带动相关的软件、硬件设计达到新的水平，使得很多比较复杂的数字信号处理算法可以实时实现并且得到广泛应用。突出的代表就是数字信 号处理器(DSP)与语音信号压缩编码算法相结合，并且在日常通信系统中得到广泛应用，例如数字移动电话、IP电话等。网络通信的发展、微处理器和信号处理专用芯片的发展，为语音处理技术的应用提供了更加广阔的平台。所有这些因素都促进了对更加有效、可靠、高质量的语音编码系统的需要，从而促进了语音编
2、码技术的持续发展。1 引 言3在数字信号处理的诸多应用当中，音频信号处理是相当重 要的一个环节。本章重点介绍如何利用TMS320VC5509 DSP以及相关codec芯片进行语音信号的处理。4TLV320AIC23是一个高性能的多媒体数字语音编解码器，它的内部ADC和DAC转换模块带有完整的数字滤波器(digital interpolation filters)。数据传输宽度可以是16位、20位、24位和32位，采样频率范围为896 kHz。在ADC采集达到96 kHz时噪音为90 dBA，能够高保真的保存音频信号。在DAC转换达到96 kHz时噪音为100 dBA，能够高品质地数字回放音频，
3、在回放时仅仅减少23 mW。2 语音codec芯片TLV320AIC23的 设计和控制原理52.1 工作原理TLV320AIC23内部有11个可编程控制寄存器，通过不同设置，可以改变芯片的工作状态，如采样率、左右声道音量等。 这些寄存器都是通过AIC23的控制接口来编程的。控制接口又分为SPI(三线)和I2C(两线)接口，外部引脚MODE置1/0决定采用哪种接口方式。SPI接口模式是三线串行传输方式。SDIN为输入串行数据，SCLK为串行时钟，控制字共16位，由高位开始传输，在时钟的上升沿锁存每一位数据，当16位控制数据(一个控制字)传输完成后，产生一个上升沿将控制字锁存到AIC23的内部。S
4、PI模式时序如图8-1所示。6图8-1 SPI模式时序图7I2C是两线串行传输方式。SDIN为输入串行数据，SCLK为串行时钟，具体应用可参考手册。当SCLK为高电平时，SDIN产生下降沿时开始数据传输。传输开始后，首先传输的是接收数据设备的地址。R/W决定传输的方向， TLV320AIC23为只能写入控制字的器件，因此R/W仅在为0时有效。TLV320AIC23只能工作在从设备模式，其地址由CS管脚的状态确定，当CS为0时，地址为0011010；当CS为1时，地址为0011011，缺省值为0。8I2C总线中的器件当接收到总线上发送的地址与自己地址相同时，通过在第9个时钟周期内将SDIN的电平
5、拉低来确认数据的传输。在传输8位数据后，重复上述控制。当SCLK为高电平，且SDIN出现上升沿时，传输停止。所传输的16位控制字分为两个部分：高7位b15b9是寄存器地址，低9位b8b0是写入寄存器中的控制数据。其时序如图8-2所示。具体I2C总线的工作原理以及TMS320VC5509中I2C模块的应用在本章的后面部分加以详细介绍。9图8-2 I2C模式时序图10TLV320AIC23与TMS320VC5509的连接示意图如图8-3所示，从图中可以看出MODE接0，确定为I2C控制方式，CS为0，确定地址为0011010，SCLK、SDIN分别与DSP的I2C接口SCL、SDA相连接。DSP的
6、McBSP0作为数据的发送和接收端口。11图8-3 TMS320VC5509 与TLV320AIC23 的连接示意图122.2 TLV320AIC23内部寄存器AIC23内部共有11个可编程寄存器，地址为000 0000000 1001和一个复位寄存器000 1111。通过这些寄存器，我们可以设置输入增益、耳机输出增益以及采样时钟和采样频率等。表8-1详细说明了在对TLV320AIC23进行编程时，TLV320AIC23内部寄存器的含义。13表8-1 TLV320AIC23的内部寄存器含义14表8-2表8-12为表8-1中所示的所有寄存器的具体内容。表8-2 左声道输入控制15LRS：左右声道
7、同时更新。0 = 禁止；1 = 激活。LIM：左声道输入衰减。0 = Normal；1 = 静音。LIV4:0：左声道输入控制衰减 (10111 = 0 dB 缺省)。最大11111 = +12 dB；最小00000 = -34.5 dB表8-3 右声道输入控制16RLS：左右声道同时更新。0 = 禁止；1 = 激活。RIM：右声道输入衰减。0 = Normal；1 = 静音。RIV 4:0： 右声道输入控制衰减(10111 = 0 dB 缺省)。最大11111 = +12 dB；最小00000 = - 34.5 dB。X：保留表8-4 左耳机通道控制17LRS：左右耳机通道控制。0 = 禁止
8、；1= 激活。LZC：0 点检查。0 = Off；1 = On。LHV6:0：左耳机通道控制音量衰减(1111001 = 0 dB默认)。最大1111111 = +6 dB；最小0110000 = 73 dB(静音)。表8-5 右耳机通道控制18RLS：左右耳机通道控制。0 = 禁止；1 = 激活。RZC：0点检查。0 = Off；1 = On。RHV6:0：右耳机通道控制音量衰减(1111001 = 0 dB默认)。最大1111111 = +6 dB；最小0110000 = -73 dB(静音)。表8-6 模拟音频通道控制19STA1:0：侧音衰减。00 = - 6 dB；01 = - 9
9、dB；10 = - 12 dB；11 = - 15 dB。STE：侧音激活。0 = 禁止；1 = 激活。DAC：DAC选择。0 = DAC关闭；1 = DAC选择。BYP：旁路。0 = 禁止；1= 激活。INSEL：模拟输入选择。0 = 线路；1 = 麦克风。MICM：麦克风衰减。0 = 普通；1 = 衰减。MICB：麦克风增益。0 = 0 dB；1 = 20 dB。20DACM：DAC软件衰减。0 = 禁止；1 = 激活。DEEMP1:0：消除高频成分控制。00 = 禁止；01 = 32 kHz；10 = 44.1 kHz；11 = 48 kHz。ADCHP：ADC滤波器。0 = 禁止；1
10、= 激活。X：保留 表8-7 数字音频通道控制21表8-8 启 动 控 制22OFF：设备电源。0 = On；1=OFF。CLK：时钟。0 = On；1 = OFF。OSC：振荡器。0= On；1 = OFF。OUT：输出。0= On；1 = OFF。DAC：DAC。0= On；1 = OFF。ADC：ADC。0= On；1 = OFF。MIC：麦克风输入。0 = On；1=OFF。LINE：Line输入。0 = On；1 = OFF。23表8-9 数字音频格式24MS：主从选择。0 = 从模式；1 = 主模式。LRSWAP：DAC左/右通道交换。0 = 禁止；1 = 激活。LRP：DAC左/
11、右通道设定。0 = 右通道在LRCIN高电平；1 = 右通道在LRCIN低电平。IWL1:0：输入长度。00 = 16 bit；01 = 20 bit；10 = 24 bit；11 = 32 bit。FOR1:0：数据初始化。11 = DSP初始化，帧同步来自于两个字；10 = I2S初始化；01 = MSB优先左声道排列；00 = MSB优先右声道排列。X：保留25表8-10 样本速度控制26CLKIN：时钟输入分频。0 = MCLK；1 = MCLK/2。CLKOUT：时钟输出分频。0 = MCLK；1 = MCLK/2。SR3:0：采样速率控制。BOSR：基础速度比率。USB模式：0 =
12、 250；1 = 272。Normal 模式：0 = 256；1 = 384。USB/Normal：时钟模式选择。0 = Normal；1 = USB。X：保留27ACT：激活控制。0 = 停止；1 = 激活。X：保留 表8-11 数字界面激活28RES：写000000000到这个寄存器引发初始化。关于TLV320AIC23的更详细信息，请参考相关数据手册。 表8-12 初始化寄存器293.1 I2C总线特点与工作原理集成电路芯片间总线I2C(Inter-Integrated Circuit)是Philips公司提出的一种允许芯片间在简单的二线总线上工作的串行接口和软件协议，主要用于智能集成电
13、路和器件间的数据通信。3 I2C 模 块30I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可 高达25英尺，并且能够以10 kb/s的最大传输速率支持40个组件。I2C总线的另一个优点是，它支持多主控，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。31I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送时，最高传送速率为100 kb/s
14、。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址。在信息的传输过程中， I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器)，又是发送器(或接收器)，这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别 (如对比度、亮度等)及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。32I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、结束信号和应答信号。开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平
15、跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号：接收数据的IC在接收到8 bit数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况做出是否继续传递信号的判断，若未收到应答信号，则判断为受控单元出现故障。33I2C规程运用主/从双向通信。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器 件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件(通常为微控制器)控制，主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向，并产
16、生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。343.2 TMS320VC5509 DSP的I2C模块功能TMS320VC5509 DSP的内部集成了I2C模块。其为DSP提供与内部IC总线(I2C总线)V2.1兼容的接口。和这个2线的串口总线连接的外部设备，可以通过该I2C模块传输18 bit的数据(I2C模块传输的数据单元可以小于8 bit。但为了方便起见，一般将数据的单元称为一个数据byte)。I2C模块支持所有与I2C兼容的主从设备。图8-4所示是多个I2C模块双向传输的例子。35图8-4 多个I2C模块双向传输36每一个连接到I2C总线上的设备，包括C55X DSP，都用一个惟一的地址。每个设备是发送器还是接收器取决于设备的功 能。连接到I2C总线上的设备，在传输数据时，也可以看作是主设备或从设备。主设备在总线上初始化数据传输，且产生传输所需要的时钟信号。在传输过程中
