??? 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)時運(yùn)算,，為音頻數(shù)字信號的實(shí)時編解碼提供了高速、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序
??? DSP芯片C5402具有兩個獨(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)部集成了兩個高速,、雙向、多通道帶緩沖串行端口McBSP^[7],，每個串口提供了6個功能引腳和多個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)傳輸時序的控制,。6個功能引腳分別為：
??? (1)接收,、發(fā)送引腳DR、DX,；
??? (2)接收,、發(fā)送時鐘引腳CLKR,、CLKX；
??? (3)接收,、發(fā)送幀同步引腳FSR,、FSX。
??? AD1870^[8]是一個基于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——位時鐘、左右時鐘,；
??? (3)WCLK——字時鐘,；
??? (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,，即在兩個左右時鐘LRJUST脈沖之間位時鐘BCLK要經(jīng)歷32個周期,。每一位時鐘BCLK周期時間傳送一位數(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提供位時鐘信號" title="時鐘信號">時鐘信號；把C5402的BFSX0,、BFSR0與AD1870的LRCLK連在一起,，由BFSX0向BFSR0和LRCLK提供頻率為時鐘信號頻率的1/32的左右時鐘信號；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工作時序
??? 從AD1870到TMS320VC5402的數(shù)據(jù)傳輸工作時序如圖3所示,。由圖可知,，在接電源后C5402通過主時鐘輸出引腳CLKOUT向AD1870的工作時鐘輸入引腳發(fā)送工作時鐘，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)送時鐘引腳BCLX0向C5402的接收時鐘引腳BCLR0和AD1870的位時鐘引腳BCLK發(fā)送位時鐘,；通過發(fā)送幀同步引腳BFSX0向C5402的接收幀同步引腳BFSR0和AD1870的左右時鐘引腳發(fā)送左右時鐘,。按照圖3所示的時序數(shù)字音頻信號由AD1870向DSP單元傳送：在第一個左右時鐘脈沖的觸發(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)第二個左右時鐘脈沖,，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——位時鐘、左右時鐘,；
??? (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LRCLK脈沖之間BCLK要經(jīng)歷多于16個周期。每一BCLK周期時間傳送一位數(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幀脈沖。在第一個幀同步脈沖到來時,，傳送左聲道的16位數(shù)據(jù)，下一個幀同步脈沖,，傳送右聲道的16位數(shù)據(jù),，這樣在LRCLK時鐘的調(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提供頻率為時鐘信號頻率1/16的左右時鐘信號,；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時序邏輯
??? 由C5402到AD1858的工作時序如圖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)字量在時鐘調(diào)節(jié)下向AD1858傳送,，在第一個左右時鐘脈沖的的觸發(fā)下,，數(shù)據(jù)開始傳送，AD1858根據(jù)左右時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,，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啟動開始模數(shù)轉(zhuǎn)換,，DSP單元開始向AD1870和AD1858輸出時鐘信號,，由C5402的串口McBSP0向AD1870發(fā)送左右時鐘信號，數(shù)據(jù)開始傳輸,；根據(jù)位時鐘的調(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；這時串口McBSP1向AD1858發(fā)送的左右時鐘信號,，信號啟動向AD1858傳輸數(shù)據(jù),；同樣根據(jù)串口McBSP1送給AD1858 BCLK的位時鐘，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)。
參考文獻(xiàn)
[1] 惠特克 J.C.數(shù)字音頻技術(shù)寶典[M].北京：科學(xué)出版社,，2004.
[2] 莫偉源.音響技術(shù)在汽車中的應(yīng)用[J].音響技術(shù),，2006(1)：68-69.
[3] 周霖.算法設(shè)計(jì)與系統(tǒng)方案[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.
[4] 王建平.基于DSP的多路音/視頻采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].國外電子元器件,，2006,，(6)：27-31.
[5] 劉耦耕.語音信號變速算法及其TMS320C5402實(shí)時實(shí)現(xiàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,，35(1)：117-121.
[6] TMS320VC5402 fixed-point digital signal processor.Texas?Instruments Incorporated,，2000.
[7] 鄒彥.DSP原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[8] Single-Supply 16-Bit Σ-Δ Stereo ADC AD1870.Analog?Device,，Inc,，2001.
[9] Stereo，Single Supply 16-,，18- and 20-Bit Sigma-Delta?DACs AD1857/AD1858.Analog Device，Inc,，2001.
[10] SN74LVC245 Aoctal bus transceiver with 3-state outputs.Texas Instruments Incorporated,，1998.