??? 摘 要： 針對特定環(huán)境（車內(nèi)空間）內(nèi)的聲場重建，給出了聲效處理器的硬件設(shè)計(jì)方案。以TI公司的數(shù)字信號處理器TMS320VC5402為硬件中心，對聲音信號進(jìn)行算法處理；串行16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1870實(shí)現(xiàn)對音頻信號" title="音頻信號">音頻信號的采集；串行數(shù)模轉(zhuǎn)換" title="數(shù)模轉(zhuǎn)換">數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD1858完成對處理后的音頻信號的輸出。詳細(xì)敘述了TMS320VC5402和AD1870、AD1858之間的連接和時(shí)序。實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定，為完成音頻信號的實(shí)時(shí)編解碼提供了硬件支持，使在非規(guī)范空間播放高品質(zhì)立體聲音效成為可能。
??? 關(guān)鍵詞： 聲場重建? 聲效處理? 數(shù)字信號處理

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??? 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，立體聲音頻制作系統(tǒng)日臻完美，聲場的信息幾乎被全部收集。由于大部分放音聲學(xué)環(huán)境不可能像錄制環(huán)境那么完善，這些“聲音畫面”的恢復(fù)就成為研究的難點(diǎn)^[1]。在大空間放音環(huán)境中（如露天環(huán)境），需要大量的放聲設(shè)備來完成對聲場的重建。因?yàn)檫@些設(shè)備占用了很多空間，阻礙了這種技術(shù)在小空間放音環(huán)境（如車內(nèi)環(huán)境）下的應(yīng)用。這些小空間放音環(huán)境的聲場效果的采集、傳輸、恢復(fù)與重建是音頻信號處理的研究熱點(diǎn)^[2]。從經(jīng)過傳輸混疊的雙聲道信號重建模擬聲效是電聲技術(shù)的核心，本文據(jù)此設(shè)計(jì)了一種基于數(shù)字信號處理器(DSP)的音頻實(shí)時(shí)處理的硬件系統(tǒng)^[3-5]。本系統(tǒng)可以用來對立體聲音頻信號進(jìn)行實(shí)時(shí)編解碼與特定環(huán)境（車內(nèi)空間）下聲場效果重現(xiàn)處理，還可以用作同步的實(shí)時(shí)信號采集與處理。
1 聲效處理器的DSP實(shí)現(xiàn)
??? 本系統(tǒng)由TMS320VC5402[6]（以下簡稱C5402）芯片、閃存（Flash）、雙通道隨機(jī)存儲器（DRAM）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和電平轉(zhuǎn)換芯片等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

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????由麥克或數(shù)據(jù)線傳來模擬聲音信號，首先經(jīng)過ADC(AD1870)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字音頻信號通過串行方式傳入DSP單元，DSP單元對接收的數(shù)字音頻信號進(jìn)行存儲、運(yùn)算、再存儲等一系列處理，處理后的數(shù)字音頻信號通過串口" title="串口">串口傳給DAC(AD1858)，AD1858完成對音頻信號的恢復(fù)，把數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換為模擬聲音信號，DA轉(zhuǎn)換后模擬聲音信號通過接口電路傳給耳機(jī)輸出或通過數(shù)據(jù)線由放音設(shè)備輸出。從而實(shí)現(xiàn)對音頻信號的采集、傳輸、恢復(fù)與重建，完成了對聲音效果的處理。
??? 其中DSP芯片C5402具有100MIPS的運(yùn)算速度，配有專用的硬件乘法-累加器，可以進(jìn)行高速實(shí)時(shí)運(yùn)算，為音頻數(shù)字信號的實(shí)時(shí)編解碼提供了高速、可靠的硬件基礎(chǔ)；在對音頻信號處理時(shí)會產(chǎn)成緩存數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要占有大量的存儲空間，雙口RAM則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲；模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)在本系統(tǒng)中選用的是AD公司的音頻專用芯片：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD1870、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD1858。它們具有轉(zhuǎn)換速度快、采樣頻率符合聲音信號的要求、串行傳輸數(shù)據(jù)、無軟件控制寄存器、操作簡單等特點(diǎn)。
2 ADC、DAC與DSP的硬件連接與工作時(shí)序
??? DSP芯片C5402具有兩個(gè)獨(dú)立的多功能串口McBSP0、McBSP1，在此聲效處理系統(tǒng)中被用來分別與AD1870和AD1858通信。下面詳細(xì)介紹它們之間的連接和工作時(shí)序。
2.1 DSP串口與AD1870的連接
??? 在本設(shè)計(jì)中，ADC與DSP以及DSP與DAC之間的通信采用的都是串行傳輸方式，C5402芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)高速、雙向、多通道帶緩沖串行端口McBSP^[7]，每個(gè)串口提供了6個(gè)功能引腳和多個(gè)可程序讀寫的寄存器。C5402內(nèi)部CPU通過對這些控制寄存器的讀寫完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及對數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序的控制。6個(gè)功能引腳分別為：
??? (1)接收、發(fā)送引腳DR、DX；
??? (2)接收、發(fā)送時(shí)鐘引腳CLKR、CLKX；
??? (3)接收、發(fā)送幀同步引腳FSR、FSX。
??? AD1870^[8]是一個(gè)基于Σ-Δ技術(shù)的高速串行16位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，主要用于雙聲道音頻模擬量的采集。AD1870可以以48kHz、44.1kHz、32kHz等三種采樣頻率對音頻模擬量進(jìn)行采集。主要的引腳有：
??? (1)VINL、VINR——左右聲道模擬聲音信號的輸入引腳；
??? (2)BCLK、LCLK——位時(shí)鐘、左右時(shí)鐘；
??? (3)WCLK——字時(shí)鐘；
??? (4)SOUT——串行數(shù)據(jù)輸出引腳；
??? (5)RDEDGE——讀邊沿的極性選擇引腳；
??? (6)——復(fù)位引腳。
?其他的引腳還有：
??? (1)CLKIN為模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD1870的工作時(shí)鐘輸入端，f_CLKIN=384×f_S或者f_CLKIN=256×f_S；
??? (2)引腳384/用來選擇采用上述兩種模式的哪一種，如果384/=HI，則選用384模式；如果384/=LO，則選用256模式；
??? (3)引腳S/、RLJUST、用來設(shè)置AD1870數(shù)據(jù)傳輸模式，AD1870提供了8種數(shù)據(jù)傳輸模式，其中5種AD1870用做主設(shè)備，3種AD1870用做從設(shè)備。
??? 結(jié)合本系統(tǒng)的應(yīng)用，經(jīng)過分析把AD1870作為從設(shè)備使用，它們之間的連接如圖2所示。C5402的串口McBSP0用以和AD1870通信。C5402的主時(shí)鐘輸出引腳CLKOUT和AD1870的CLKIN引腳，這樣由DSP處理單元向AD1870提供工作時(shí)鐘。選用AD1870工作在從模式、32位數(shù)據(jù)傳送格式^[5]，需要做如下設(shè)置：S/=HI、L_RJUST=LO、=LO。在這種模式下，要求f_LRJUST=f_BCLK/32，即在兩個(gè)左右時(shí)鐘LRJUST脈沖之間位時(shí)鐘BCLK要經(jīng)歷32個(gè)周期。每一位時(shí)鐘BCLK周期時(shí)間傳送一位數(shù)據(jù)，共傳送32位數(shù)據(jù)，其中前16位為左聲道的數(shù)據(jù)，后16位為右聲道的數(shù)據(jù)。根據(jù)這種要求把C5402的BCLKXO、BCLKRO與AD1870的BCLK連在一起，由BCLKXO向BCLKRO和BCLK提供位時(shí)鐘信號" title="時(shí)鐘信號">時(shí)鐘信號；把C5402的BFSX0、BFSR0與AD1870的LRCLK連在一起，由BFSX0向BFSR0和LRCLK提供頻率為時(shí)鐘信號頻率的1/32的左右時(shí)鐘信號；把C5402的BDR0和AD1870的SOUT連在一起，這樣C5402就可以接收來自AD1870的數(shù)字音頻信號了，C5402的接收數(shù)據(jù)引腳接收來自AD1870串行數(shù)據(jù)輸出引腳輸出的數(shù)字音頻信號。為滿足數(shù)據(jù)傳輸要求需要對McBSP0的串口寄存器進(jìn)行設(shè)置，主要設(shè)置如下：
??? (1)串口引腳控制寄存器PCR：FSXM（11）=1；FSRM（10）=0；CLKXM（9）=1；CLKRM（8）=0
??? (2)接收控制寄存器RCR1：RFRLEN1(14-8)=0000001；RWDLEN（7-5）=010。

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??? 在數(shù)據(jù)傳送期間AD1870的字時(shí)鐘WCLK一直輸出高電平，據(jù)此把C5402的通用IO口與它連在一起，用于DSP單元檢測AD1870是否工作。另外，C5402的通用IO口XF與AD1870的直接連接，這樣就可以對AD1870進(jìn)行軟件復(fù)位操作。
2.2 AD1870到C5402工作時(shí)序
??? 從AD1870到TMS320VC5402的數(shù)據(jù)傳輸工作時(shí)序如圖3所示。由圖可知，在接電源后C5402通過主時(shí)鐘輸出引腳CLKOUT向AD1870的工作時(shí)鐘輸入引腳發(fā)送工作時(shí)鐘，AD1870開始工作，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，即把左右聲道模擬聲音信號的輸入引腳VINL、VINR采集來的模擬聲音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號。同時(shí)C5402的CPU通過對串口McBSP0寄存器的讀寫使串口McBSP0通過發(fā)送時(shí)鐘引腳BCLX0向C5402的接收時(shí)鐘引腳BCLR0和AD1870的位時(shí)鐘引腳BCLK發(fā)送位時(shí)鐘；通過發(fā)送幀同步引腳BFSX0向C5402的接收幀同步引腳BFSR0和AD1870的左右時(shí)鐘引腳發(fā)送左右時(shí)鐘。按照圖3所示的時(shí)序數(shù)字音頻信號由AD1870向DSP單元傳送：在第一個(gè)左右時(shí)鐘脈沖的觸發(fā)下，第一幀數(shù)據(jù)開始向DSP單元傳送，共32位數(shù)據(jù)。首先傳送的是左聲道的第一幀數(shù)據(jù)（16位）；然后傳送右聲道的第一幀數(shù)據(jù)。接著出現(xiàn)第二個(gè)左右時(shí)鐘脈沖，第二幀數(shù)據(jù)也是按照先前的順序傳入DSP單元。數(shù)據(jù)按照這種模式連續(xù)傳向DSP單元。

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2.3 DSP串口與AD1858的連接
??? 在DSP單元處理好的音頻數(shù)字信號需要經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬聲音量輸出。本系統(tǒng)選用的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片是同為AD公司生產(chǎn)的AD1858數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。AD1858[9]是一個(gè)雙通道高速串行DA轉(zhuǎn)換芯片，用于對數(shù)字音頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換。主要引腳有：
??? (1)SDATA——串行輸入引腳；
??? (2)BCLK、LRCLK——位時(shí)鐘、左右時(shí)鐘；
??? (3)MODE——輸入串行數(shù)據(jù)模式控制；
??? (4)——上電/復(fù)位引腳；
??? (5)MUTE——利用此引腳可以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換通路的通和斷；
??? (6)MCLK——主時(shí)鐘輸入；
??? (7)OUTL、OUTR——左右聲道輸出引腳；
??? (8)MCLK為數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD1858的工作時(shí)鐘輸入端，f_MCLK=384×f_S或者f_MCLK=×f_S；
??? (9)引腳384/256用來選擇采用上述兩種模式的哪一種。如果384/=HI，選用384模式；如果384/256=LO，選用256模式；
?? ?(10)MODE用來設(shè)置AD1858數(shù)據(jù)接收模式，AD1858提供了二種數(shù)據(jù)傳輸模式。
??? 與C5402的連接如圖4所示。由圖可知，C5402的串口McBSP1用以和AD1858通信。C5402的主時(shí)鐘輸出引腳CLKOUT和AD1858的MCLK引腳，由DSP處理單元向AD1858提供工作時(shí)鐘。將AD1858的引腳MODE接高電平，使AD1858工作在L-J DSP串行口模式^[6]。這種工作模式要求f_LRCLK≤f_BLCK/16，即在兩個(gè)LRCLK脈沖之間BCLK要經(jīng)歷多于16個(gè)周期。每一BCLK周期時(shí)間傳送一位數(shù)據(jù)，共傳送16位數(shù)據(jù)，在16位數(shù)據(jù)傳送完后等待下一個(gè)幀脈沖。在第一個(gè)幀同步脈沖到來時(shí)，傳送左聲道的16位數(shù)據(jù)，下一個(gè)幀同步脈沖，傳送右聲道的16位數(shù)據(jù)，這樣在LRCLK時(shí)鐘的調(diào)節(jié)下依次輪流進(jìn)行傳送左右聲道的數(shù)據(jù)。根據(jù)這種要求把C5402的BCLKX1與AD1858的BCLK連在一起，由BCLKX1向BCLK提供位時(shí)鐘信號；把C5402的BFSX0與AD1858的LRCLK連在一起，由BFSX0向LRCLK提供頻率為時(shí)鐘信號頻率1/16的左右時(shí)鐘信號；把C5402的BDX1和AD1858的SDATA連在一起，這樣C5402就可以把經(jīng)過算法處理的數(shù)字音頻信號傳送給AD1858了。為了使數(shù)據(jù)傳輸需要對McBSP1的串口控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置如下：
?? ?(1)串口引腳控制寄存器PCR：FSXM（11）=1；CLKXM（9）=1；
??? (2)發(fā)送控制寄存器XCR1：XFRLEN1=0000000；XWDLEN1=010。

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??? 另外，C5402的A19、IS通過或門與AD1858的引腳MUTE連接，這樣C5402就可以軟件控制數(shù)模轉(zhuǎn)換的開啟與關(guān)閉了。
2.4 C5402到AD1858時(shí)序邏輯
??? 由C5402到AD1858的工作時(shí)序如圖5所示。由圖可知，上電以后AD1858開始工作。DSP單元中處理好的音頻數(shù)字量在時(shí)鐘調(diào)節(jié)下向AD1858傳送，在第一個(gè)左右時(shí)鐘脈沖的的觸發(fā)下，數(shù)據(jù)開始傳送，AD1858根據(jù)左右時(shí)鐘先接收左聲道的一幀數(shù)據(jù)（16位）轉(zhuǎn)化為模擬量由OUTL引腳輸出；然后出現(xiàn)第二個(gè)左右脈沖，AD1858接著接收右聲道的一幀數(shù)據(jù)，數(shù)模轉(zhuǎn)換后由OUTR引腳輸出模擬聲音信號。接著出現(xiàn)第三個(gè)左右脈沖，第二幀左聲道的數(shù)據(jù)也是按照先前的順序傳入AD1858進(jìn)而進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換依次進(jìn)行下去。

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2.5 電平匹配
??? 在設(shè)計(jì)DSP硬件系統(tǒng)時(shí)，由于DSP芯片C5402的I/O工作電壓是3.3V，而ADC芯片AD1870和DAC芯片DA1858的工作電壓卻是5V，因此要分析它們之間的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，以滿足電壓的兼容性和接口條件。電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)從器件的電氣特性中獲得，如表1所示。

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??? 由表1可知，C5402與AD1870和AD1858的電平轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)是一致的，因此從C5402到AD1870和AD1858的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)線可以直接連接。但是，由于C5402不能承受5V的電壓，因此從AD1870到C5402的數(shù)據(jù)線不能直接相連，解決的辦法是在它們之間加入一個(gè)3.3V電壓供電并能承受5V電壓的緩沖器SN74LVC245A^[10]。SN74LVC245A有8路數(shù)據(jù)通道，引腳DIR用來控制數(shù)據(jù)的傳輸方向，SN74LVC245A的接口示意見圖2，基本功能如表2所示。

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3 工作流程
??? 綜上所述，系統(tǒng)上電后，AD1870啟動(dòng)開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP單元開始向AD1870和AD1858輸出時(shí)鐘信號，由C5402的串口McBSP0向AD1870發(fā)送左右時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)開始傳輸；根據(jù)位時(shí)鐘的調(diào)節(jié)，AD1870連續(xù)向DSP單元傳送數(shù)據(jù)，在DSP單元內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過緩存、算法處理，最后處理好的數(shù)據(jù)存在固定的數(shù)據(jù)空間；這時(shí)串口McBSP1向AD1858發(fā)送的左右時(shí)鐘信號，信號啟動(dòng)向AD1858傳輸數(shù)據(jù)；同樣根據(jù)串口McBSP1送給AD1858 BCLK的位時(shí)鐘，AD1858連續(xù)接收DSP單元傳過來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，模擬聲音量由引腳OUTL、OUTR輸出。
??? 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)已通過實(shí)驗(yàn)運(yùn)行驗(yàn)證，達(dá)到了相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，可用于不規(guī)范空間聲場效果的恢復(fù)。
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