對(duì)于音頻輸入而言，可以通過(guò)MP3播放器將音頻信號(hào)輸入到放大器；也可以通過(guò)PC機(jī)的音頻線將音頻信號(hào)輸入到放大器，本設(shè)計(jì)采用后者。
　　系統(tǒng)基本工作原理：通過(guò)PC機(jī)輸出音頻信號(hào)，由于此音頻信號(hào)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(hào)，得到了較高信噪比的音頻信號(hào)，為后面的采樣提供了失真度很小的音頻信號(hào)。AD50把得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DSP的多通道緩沖接口(MCBSP)傳給DSP進(jìn)行處理。DSP經(jīng)過(guò)處理后再把音頻信號(hào)輸入到AD50，然后通過(guò)AD50輸出，這樣就可以把音頻信號(hào)無(wú)失真地還原出來(lái)，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的處理。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
　　(1)對(duì)原始的音頻信號(hào)放大，把放大的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為差分信號(hào)。
　　(2)DSP通過(guò)MCBSP控制AD50采樣和接收音頻數(shù)據(jù)。
　　(3)DSP通過(guò)軟件處理使原始音頻信號(hào)還原出來(lái)(數(shù)字信號(hào))，然后通過(guò)MCBSP發(fā)給AD50轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　本設(shè)計(jì)的音頻處理系統(tǒng)主要分為音頻信號(hào)調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集與處理模塊。
2.1 音頻信號(hào)調(diào)理模塊
　　音頻信號(hào)調(diào)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(guó)德州儀器公司的TLC2272，是單芯雙運(yùn)放放大器，具有相當(dāng)好的AC性能，有更好的輸入失調(diào)電壓、噪聲和功耗性能，增益帶寬為2 MHz，轉(zhuǎn)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(hào)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(guò)JP1短接)，R4和R2并聯(lián)組成可調(diào)的電阻R，由放大電路的原理可知：放大倍數(shù)A=R1/R，所以本次設(shè)計(jì)的放大器的增益是可調(diào)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(hào)轉(zhuǎn)化成差分信號(hào)。由放大器的原理可知， 3個(gè)反向輸入放大器的放大倍數(shù)都為1(因?yàn)榉答伝芈返碾娮枧c輸入回路的電阻之比是1：1)。由圖可知，Input端口的信號(hào)與in_m的信號(hào)同相，而與in_p信號(hào)反相，這兩個(gè)信號(hào)分別接入到AD50的INP和INM引腳，這樣就得到差分信號(hào)，提高了共模抑制比，大大減少了共模信號(hào)，得到了高信噪比的音頻信號(hào)。C3和C8作為前后級(jí)放大器的耦合電路。

?

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理模塊
　　數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)22 Kbit/s，它具有7個(gè)控制寄存器，AD50的采樣頻率由控制寄存器4設(shè)定。當(dāng)選擇PLL模式時(shí)(D7=0)，采樣頻率為：
　　
　　AD50內(nèi)部在ADC轉(zhuǎn)換后有抽樣濾波器，DAC轉(zhuǎn)換前直插濾波器，AD50與DSP 的通信數(shù)據(jù)格式采用16位的二進(jìn)制。AD50的16位的傳輸時(shí)序圖如圖4，F(xiàn)_S為幀同步信號(hào)。

　　DSP提供了3個(gè)多通道緩沖串行口(MCBSP)，為模數(shù)接口的設(shè)計(jì)提供了極大的便利。MCBSP提供了全雙工的傳輸機(jī)制，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以為8、12、16、20、24、32位。數(shù)據(jù)經(jīng)MCBSP的DR和DX引腳傳輸，控制信號(hào)由CLKR、CLKX、FSR、FSX 4個(gè)引腳決定(圖5)。本設(shè)計(jì)中，AD50的時(shí)鐘由DSP提供，AD50工作在從模式。DSP和AD50的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)共用一個(gè)時(shí)鐘，避免了時(shí)序沖突，提高了可靠性。
3 算法設(shè)計(jì)
　　通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)FIR低通濾波器對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理來(lái)說(shuō)明對(duì)音頻信號(hào)的處理實(shí)現(xiàn)過(guò)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；a_i是濾波器的系數(shù)；N是濾波器的階數(shù)，其橫向?yàn)V波結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

?

?

　　取音頻信號(hào)的采樣頻率為10 kHz，N=64，利用MATLAB得到低通濾波器，其函數(shù)為：
　　B=FIR(N，W)　　　　　　　　　　(5)

　　式中：B是濾波器的系數(shù)；N是濾波器的階數(shù)；W是濾波器的截止頻率^[2]。
　　由式(3)可知：不斷地輸入樣本，經(jīng)過(guò)延時(shí)一個(gè)單位，再和濾波器的系數(shù)進(jìn)行乘法累加運(yùn)算，最后得到輸出序列y(n)。程序流程圖如圖7所示。

　　在CCS5000開(kāi)發(fā)平臺(tái)下創(chuàng)建源文件。本軟件采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫，經(jīng)過(guò)編譯、調(diào)試，生成可執(zhí)行文件?鄢.out。最后把*.out文件下載到芯片運(yùn)行，部分源代碼如下：
　　STL? A，*FIR_DATA_P+%；更新數(shù)據(jù)
　　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(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　在CCS5000開(kāi)發(fā)平臺(tái)下，為了便于分析，采用探針，把帶紋波的方波信號(hào)作為信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)CCS仿真后輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的時(shí)域和頻域的對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

?

　　從以上處理的效果來(lái)看，方波信號(hào)由基波信號(hào)和高次諧波組成，由于采用了低通濾波器處理，高頻信號(hào)（疊加在方波信號(hào)上面的紋波）得到有效抑制，低頻信號(hào)得到保留(音頻信號(hào)的帶寬主要在低頻)，最后輸出比較平滑的信號(hào)（主要是基波信號(hào)），由此證明了系統(tǒng)的低通性能，驗(yàn)證了此音頻處理系統(tǒng)的正確性。讀者只要在這個(gè)硬件平臺(tái)上改變算法就可以得到不同的音頻效果。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，由于在音頻信號(hào)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(hào)，得到了高信噪比的音頻信號(hào)，而在DSP內(nèi)部又采用了FIR濾波算法，因此設(shè)計(jì)的高保真音頻信號(hào)處理系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。該音頻信號(hào)處理系統(tǒng)可以在IP電話和多媒體通信中得到廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
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