通信工程毕业设计(论文)-基于DSP与USB的语音采集处理系统的设计与实现.doc
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1、基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计(论文)计(论文) 基于基于 DSPDSP 与与 USBUSB 的语音采集处理系统的的语音采集处理系统的 设计与实现设计与实现 The Design and Realization of a Phonetic Data Acquisition System Based on DSP and USB 院(系): 计算机与信息工程学院 专 业: 通信工程 学 生 姓 名: 学 号: 指 导 教 师(职称): 评 阅 教 师: 完 成 日 期: 2012 年 4 月 南阳理工
2、学院 Nanyang Institute of Technology 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 通信工程 摘摘 要要随着计算机技术的发展,数字信号处理技术己经成为高速实时处理的 一项关键技术,广泛应用于图形图像处理、语音识别、智能检测、工业控制等各个领 域。数据采集系统可以通过 A/D 转换把模拟信号转换成数字信号,并可以方便地实现 数字信号存储、处理及再现,是数字信号处理的重要组成部分,得到了越来越广泛的 应用。 本毕业设计以应用于工业测试系统的在线状态检测数据采集系统的设计为研究对 象,讨论了基于 D
3、SP 数字信号处理器和 USB 通用串行总线接口数据采集系统的软硬件 设计的主要步骤和方法,分析了数据采集应用对象的特征,阐述了系统硬件电路的搭 建,介绍了 DSP 的线性预测编码算法在语音信号处理中的作用。特别地,在传统数据 采集研究成果的基础上,完成了基于 USB 和 DSP 技术的数据采集所涉及的有关总体方 案、硬件电路、软件程序、性能测试等方面的工作。 关键词关键词数据采集;通用串行总线;DSP;预测编码 The Design and Realization of a Phonetic Data Acquisition Based on DSP and USB Communicatio
4、n Engineering Major Ding Xiao-li Abstract: Along with the development of computer technology, Digital signal processing technology has been a Kernel technology in high-speed real-time processing. It is widely used in many fields such as graph and image processing, voice identification, intelligent c
5、hecking, industry control,etc. The Data acquisition system is an important part of DSP. In this system, analog signals are transformed to digital signals by Analog- Digital Converters(ADC), and then be stored, transacted and recuperated easily. Taking the design of the industry on-line state detecti
6、on Data Acquisition System as example, the graduation dissertation discusses the main processes and measures on the software and hardware design based on DSP and USB. The feature of data acquisition object is analyzed in 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 the graduation dissertation. The design of system
7、hardware circuit is expatiated in detail. Linear Predictive Coding in phonetic signal processing on DSP is introduced as well. specially , based on the research achievements of traditional data acquisition system, the paper accomplishes the Data acquisition system involved total project,hardware cir
8、cuit, software program, performance testetc based on DSP and USB. Key words: Data Acquisition; Universal Serial Bus; DSP; Linear Predictive Coding 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 目目 录录 1 绪论 1 1.1 选题依据及研究意义.2 1.2 DSP 发展状况 .3 1.3 USB 的发展状况 .5 1.4 本文的主要研究工作.5 1.4.1 研究工作.5 1.4.2 主要研究内容.6 1.5 论文的组织结构 6 2 软硬
9、件开发平台及器件介绍 7 2.1 软件开发环境 7 2.1.1 CCS 集成开发环境 .7 2.1.2 系统仿真.9 2.2 硬件开发环境 .10 2.2.1 数据采集 A/D 转换器10 2.2.2 DSP 较其它处理器的优势 10 2.2.3 TMS320C6713 芯片介绍 11 2.3 USB 芯片介绍 13 2.3.1 主流芯片的分类13 2.3.2 PD1USBD12 芯片功能 13 3 系统的实现方案与硬件电路设计 .15 3.1 高速采集传输系统分析 .15 3.2 DSP 的外围结构框图 16 3.3 片外存储器接口的接口信号 .18 3.4 EMIF 与 SDRAM 的接口
10、逻辑 .19 3.5 电源系统设计 .20 4 DSP 的音频采集与处理22 4.1 语音信号的线性预测分析22 4.1.1 语音线性编码的原理22 4.1.2 DSP 程序的实现 25 4.2 本系统采用的 CCS 环境和 IETCE 开发板 .27 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 4.3 软件程序设计和运行结果 .28 5 工作总结 .30 参考文献 .31 致谢 .32 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 1 1 绪论 语音数据采集系统主要完成语音信号的采集、A/D/A 转换,然后通过 PC 接口总线 将处理后的数据送入计算机作进一步处理。
11、目前以这一部件为核心的设备在国内外得 到广泛的应用,如机场、商场等人流量大或比较重要的场所安装的监控设备;工业控 制中现场数据的采集系统;家庭影院、视频会议、可视电话等多媒体设备。但是,这 些数据采集系统普遍采用的是 PC 上的 RS-485 总线、ISA 总线、PCI 总线、Firewire 等。 RS-485 总线和 ISA 总线的传输速度慢,不能满足音视频高速实时传输的要求;采 用 PCI 接口设计的数据采集卡虽然数据传输率很高,但是还存在整个系统笨重、安装 麻烦、价格昂贵,受计算机插槽数量、地址、中断资源限制,可扩展性差,缺乏灵活 性,不能实现即插即用,不适合小型、便携设备采用。在一些
12、电磁干扰性强的测试现 场,无法专门对其做电磁屏蔽,导致采集的数据失真,因此工程师们往往需要花费大 量的时间和资源用于系统搭建。Firewire(即 IEEE1394)是由苹果公司于 80 年代中期 开始开发的一种允许连接多种高性能设备的高性能总线互连,它的传输速率可高达 3.2Gbps,主要使用在高速的影像或者连接设备没有 PC 主机的场合,它比 USB 有弹性, 不过目前 PC 外围普遍没有 1394 接口,还得添加 1394-PCI 转接卡才能使用 1394 接口 设备,相对外围电路较复杂且昂贵,对 1394 应用的比较少。 通用串行总线(USB)是应用在 PC 领域中的新型接口技术,自从
13、 Windons98 操作 系统全面对 USB 接口支持后,USB 逐渐进入实用阶段。利用 USB 可以实现较传统方式更 有效、更经济、更多扩展的 PC 外设与 PC 相连。通用串行总线(USB)作为一种新兴的 计算机外设总线标准,从标准的出现到大规模的应用,仅用了短短几年的时间,这一 切都得益于它易用、真正的热插拔、高性能和系统造价低廉等优点。 随着数字信号处理理论的发展,数字信号处理器 DSP(Digital Signal Processors)得到了长足的发展,同时也使数字信号处理理论得以实现。DSP 的突出特 色包括哈佛(Harvard)结构、流水线操作、独立硬件乘法器、零开销循环等。
14、DSP 具 有快速的运算速度和强大的数据处理能力,特别适合于数字信号处理场合,它能满足 数据采集系统中对数据处理速度的要求。DSP 芯片性能价格比和开发手段不断提高,使 得 DSP 芯片已经在通信与信息系统、信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空 航天、医疗、家用电器等许多领域得到广泛的应用。 本论文通过对传统语音采集系统弊端的分析,将深入研究基于 USB2.0 和 DSP 的技 术,研究实现一种易于和计算机相连且高速实时的语音采集系统。由于该系统采用 DSP 芯片,克服了以前采用单片机作处理器而使系统速度慢及数学运算能力差等缺点。用 USB 作通信总线,其优点是可实现热插拔、扩展方便,特
15、别适合便携式计算机,系统既 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 2 满足实时性,又满足易扩展性,有一定的实用价值。 1.1 选题依据及研究意义 数据采集是控制系统中至关重要的一个环节,在工业生产和科研中常常需要对各 种数据进行采集,如温度、压力、液位、流量等。与采样系统不同,数据采集系统不 仅仅包括信号的取样而且还包括信号的传输和处理过程,而采样系统仅仅指信号的获 取。采样包含于采集之中,要进行采集必须先进行采样,因此,采样而来的数据要能 真实反映原始信号的信息。由香农定理可知:采样信号的频率必须大于或者等于最高 信号频率的两倍。 目前,国内外数据采集系统多采用实时存盘卡
16、形式的嵌入式系统板卡来实现。一 般的数据采集处理系统的组成框图如图 1 所示。它们的共同特点是板卡上集成 IDE 总 线或是 SCSI 总线,存盘数据直接写入板接硬盘,上位 PC 机对数据进行分析和处理时, 必须把板接硬盘里的数据转存上位机硬盘。控制器一般采用单片机,单片机的字长也 由 4 位、8 位、16 位向着 32 位发展,对于大多数的场合来说己经能够满足要求了,同 样,单片机也有价格低廉、结构简单、接口扩展方便等优点。但是最大的缺点在于运 算速度慢、数学运算能力差。在一些要求信号处理的数学运算比较复杂的领域,如视 频、语音通信或是复杂控制领域,单片机往往力不从心,这需要更高级的 CPU
17、 来支持。 采采集集模模块块IDE或或SCSI接接口口板板接接硬硬盘盘 PCI接接口口 上上机机位位系系统统 图 1 传统数据采集实时存盘系统原理框图 另一方面,板卡式的数据采集卡,多通过系统总线也就是 1/0 通道总线、微型计 算机总线或者是板级总线和上位机插槽上的各个扩充板卡相连,常用的有 PCI、SIA、EISA 等。对于用户来说,要打开机箱,加入硬件并且进行配置,这需要一 定的技术支持。况且,接口卡的配置必须停机,驱动程序的安装、调试甚至正常运行 也需要人工干预,板卡与系统之间的中断冲突、兼容性等问题也是需要考虑的。基于 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 3 此
18、,有必要选择更加方便的通道进行数据传递。本文采用 USB 进行数据传递,实现了 高速数据传输。 由上可知,由于一般的数据采集系统存在以上诸多问题,因此采用 DSP 作为控制 器,而采用 USB 和上位机相连接将是以后数据采集处理系统的发展方向。 而在语音处理技术发展史上,语音编码的研究始于 1939 年 Dudlye 的创造性发明 声码器。从那时开始直至 20 世纪 70 年代中期,除 PCM(脉冲编码调制)和 ADPCM(自适应差分脉冲编码调制)已取得较大进展之外,中低比特率语音编码一直没 有实质性的突破。到了 1980 年美国政府公布了一种 2.4Kb/S 的线性预测编码标准算法 LPC-
19、10 以后,整个语音编码技术领域发生了一次质的飞跃,人们梦寐以求的在普通电 话带宽信道中传输数字电话的愿望终于变成现实。 虽然数字电话具有保密性高、容易克服噪声累计现象,便于进行程控交换等优点, 但是 64Kb/s 的 PCM、32Kb/s 的 ADPCM 要占用几十千赫信道带宽,都不便于在普通话路 中传输,因此语音压缩编码技术一直是一个令人关注的课题。除 PCM,ADPCM,AM(增 量调制) ,LPC(线性预测编码) ,ME-LPC(多脉冲激励线性预测编码)等声码器之外, 美国在 1988 年又公布了一个 4.8Kb/s 的 CELP(码激励线性预测编码)语音编码标准算 法,欧洲也推出了一
20、个 16Kb/s 的 RELP(规则脉冲激励)线性预测编码算法,其语音质 量都能达到高音质。近几年又出现了更好的编码算法多带激励声码器(MBU) ,它可 以在 2.4Kb/s 的速率下提供较高质量的语音。这些算法都可用数字信号处理器实时实 现,目前正努力进一步减小时延,使之在移动通信中得到广泛应用。语音编码产品化 的过程比语音识别来的容易,因此其研究成果能很快转向实际应用,对通信领域的发 展起到了重要的推动作用。 嵌入式语音处理技术得到了广泛应用的是语音编码技术。根据语音识别性能及算 法的不同,语音级别专用芯片大致有以下几种类型: 1.由单片机组成的语音专用 IC。它以 8 位机或 16 位机
21、为计算核心,外加 AD/转换、 D/A 转换及存储器。由于单片机的运算能力有限,因为其编码和识别算法不可能复杂, 精度也低,典型的芯片是 1996 年美国 Sensory 公司生产的 RSC-146。 2.由数字信号处理器 DPS 组成的语音处理系统。它一般由定点 16 位 DSP 外加 A/D 转换和 D/A 转换,以及 ROM,RAM,Flash 等存储器组成。由于 DSP 包含用做数字信号 处理运算的专用部件,因而运算能力强,精度高,适于组成较高性能的语音系统。最 常用的 DSP 芯片有 TI 公司的 TMS320C6713 系列,AD 公司的 ADSP218X 系列以及 DSPG 公
22、司开发的 OAK 系列。用 DSP 组成的语音系统可以实现高质量、高压缩率语音编解码功 能,同时可以产生高品质的语音合成和语音回放功能,这是当前语音级专用芯片的主 流组成。本设计即是采用 TI 公司的 TMS320C6713 芯片作为编解码处理器。 基于 DSP 与 USB 的语音采集处理系统的设计与实现 4 1.2 DSP 发展状况 DSP 芯片,即数字信号处理芯片,也称为数字信号处理器,是一种特别适合于进行 数字信号处理运算的微处理器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。 与通用微处理器相比,DSP 芯片的其他通用功能相对较弱一些。但是,近年来新推出的 DSP 芯片已经将通用微
23、处理器的一些功能集成在芯片中,DSP 芯片已经可以实现普通微 处理的功能。一个典型的 DSP 系统如图 2 所示。 抗抗混混叠叠 滤滤波波 输输入入 A/D DSP 芯芯片片 D/A平平滑滑滤滤波波 输输出出 图 2 典型的 DSP 系统 1965 年快速傅立叶变换 FFT 算法的提出被公认为数字信号处理 DSP 这一学科的开 端。世界上第一片单片 DSP 芯片是 1978 年 AMI 公司宣布的 S2811。在近四十年的发展 过程中,数字信号处理自身已基本形成一套较为完善的理论体系。这些理论包括: 1.信号的采集(A/D 技术、抽样定理、量化噪声分析等) ; 2.离散信号的分析(时域及频域分
24、析、各种变换技术、信号特征的描述等) ; 3.离散系统分析(系统的描述、系统的单位抽样响应、转移函数及频率特性等) ; 4.信号处理中的快速算法(快速傅立叶变换、快速卷积与相关等) ; 5.信号的估值(各种估值理论、相关函数与功率谱估计) ; 6.滤波技术(各种数字滤波器的设计与实现) ; 7.信号的建模; 8.信号处理中的特殊算法(如抽取、反卷积、信号重建等) ; 9.信号处理技术的实现(软件实现和硬件实现)与应用; 数字信号处理器是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理 器,其处理速度比最快的 CPU 还快 1050 倍。其结构特征如下: 1.普遍采用了数据总线和程序总线分
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