低功耗通用語(yǔ)音處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

摘 要： 介紹了基于TMS3.0VC5510A實(shí)現(xiàn)的低功耗通用語(yǔ)音處理平臺(tái)的方案，并且在其上實(shí)現(xiàn)了多種語(yǔ)音壓縮算法以及基于算法的自適應(yīng)功耗控制，較好地達(dá)到了低功耗的要求。

語(yǔ)音信號(hào)處理在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，語(yǔ)音傳輸?shù)臄?shù)字化是全數(shù)字化移動(dòng)通信系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。高質(zhì)量、低速率的話(huà)音編碼技術(shù)與高效率的數(shù)字調(diào)制技術(shù)結(jié)合，為現(xiàn)代移動(dòng)通信提供了優(yōu)于模擬移動(dòng)通信的系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和頻譜利用率�，F(xiàn)代移動(dòng)通信的發(fā)展也對(duì)系統(tǒng)的功耗提出了較高的要求，因此低功耗、高性能的DSP已經(jīng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹采用美國(guó)德州儀器公司(TI)最新開(kāi)發(fā)出來(lái)的TMS320VC5510A，利用其數(shù)據(jù)處理能力及低功耗特性，并且結(jié)合MSP430F149增加了系統(tǒng)的控制能力，進(jìn)行各種語(yǔ)音算法的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于實(shí)際開(kāi)發(fā)語(yǔ)音處理系統(tǒng)具有重要的參考價(jià)值，并且該平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品中。

1 語(yǔ)音處理系統(tǒng)組成及其原理

1.1 語(yǔ)音處理系統(tǒng)的組成

語(yǔ)音算法多種多樣，要求語(yǔ)音處理系統(tǒng)的前端提供符合算法精度要求的數(shù)字采樣信號(hào)，因此要求前端的A/D、D/A具有較高的采樣率和采樣精度。語(yǔ)音處理系統(tǒng)還有實(shí)時(shí)性的要求，在一些應(yīng)用中還要求語(yǔ)音編解碼算法、加解密算法、信道編解碼算法甚至調(diào)制、解調(diào)算法都在同一塊芯片中實(shí)現(xiàn)，因此要求系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，存儲(chǔ)空間大。在通常的DSP應(yīng)用系統(tǒng)中，DSP加上存儲(chǔ)器、 A/D、D/A和外設(shè)接口就可以實(shí)現(xiàn)。但是越來(lái)越多的場(chǎng)合要求系統(tǒng)完成與外部系統(tǒng)的通信和控制，例如人機(jī)接口、信道傳輸設(shè)備等控制功能。這些均可以采用 MCU＋DSP的結(jié)構(gòu)，以彌補(bǔ)單一DSP系統(tǒng)控制能力差的不足。經(jīng)過(guò)仔細(xì)選擇比較，最終的語(yǔ)音處理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

語(yǔ)音處理系統(tǒng)框圖

圖1 語(yǔ)音處理系統(tǒng)框圖

1.2 語(yǔ)音處理系統(tǒng)原理

如圖1所示，模擬話(huà)音經(jīng)過(guò)功放構(gòu)成的帶通濾波器，通過(guò)TLV320AIC10的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換成8 000Hz的數(shù)字信號(hào)，該采樣信號(hào)的精度為16位，對(duì)輸入模擬信號(hào)的幅度要求為-3.3～3.3V。數(shù)字化的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)同步串口（McBSP）傳送到DSP(TMS320VC5510A)內(nèi)部緩沖區(qū)，送入編碼器進(jìn)行編碼，得到的數(shù)據(jù)流通過(guò)同步串口（McBSP）及信道接口傳給終端，經(jīng)過(guò)信道編碼后傳輸。從信道收到的碼流經(jīng)過(guò)終端解碼通過(guò)同步串口（McBSP）傳給DSP內(nèi)部的緩沖區(qū)，送入解碼器進(jìn)行解碼，得到的數(shù)字化語(yǔ)音再通過(guò)同步串口（McBSP）傳給TLV320AIC10的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。為了增強(qiáng)該硬件平臺(tái)的控制能力，DSP（TMS320VC5510A）通過(guò)主機(jī)接口（HPI）與MCU(MSP430F149)進(jìn)行通信。并且增加了存儲(chǔ)器Flash(SST39VF800A)，以保證可以進(jìn)行脫機(jī)運(yùn)行。

2 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

2.1 主要芯片選擇及簡(jiǎn)介

該平臺(tái)采用的TLV320AIC10是德州儀器公司推出的一款通用型低功耗16位A/D、D/A音頻接口芯片，適用于語(yǔ)音以及寬帶音頻處理；其數(shù)字接口采用同步串口方式，可以非常方便地與DSP的同步串口(McBSP)相連，其中SCLK提供位時(shí)鐘信號(hào)，F(xiàn)S提供幀同步信號(hào)，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入，DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出。TLV320AIC10與DSP的串口連接方式如圖2所示。其中TLV320AIC10工作在主模式（Master Mode）下，DSP的同步串口（McBSP）工作在從模式(Slave Mode)下。同步串口的時(shí)鐘由TLV320AIC10的SCLK提供，為2.048MHz。

TLV320AIC10 與TMS320VC5510A 連接示意圖

圖2 TLV320AIC10 與TMS320VC5510A 連接示意圖

系統(tǒng)的主要數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC5510A與TMS320VC54X相比，功耗更低，代碼執(zhí)行效率更高，而且與TMS320VC54X的指令完全兼容，具有以下特點(diǎn)。

(1)資源豐富。32位寬的外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)，2個(gè)20位寬的定時(shí)器，6通道的DMA控制器和3個(gè)多通道緩沖串口（McBSP），16位增強(qiáng)主機(jī)并行接口（EHPI），8個(gè)通用管腳（GPIO）。

(2)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)而且運(yùn)算速度快。TMS320VC5510A采用了改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，C55X的DSP在一個(gè)總線周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行3個(gè)數(shù)據(jù)讀和2個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)的操作，采用了并行的雙MAC結(jié)構(gòu)，提供了更強(qiáng)大的并行處理能力。

(3)功耗低。TMS320VC5510A采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，I/O供電電壓為3.3V，內(nèi)核供電電壓為1.6V，而且有多種低功耗工作模式，有效地降低了系統(tǒng)功耗。內(nèi)核靜態(tài)功耗為0.112mA/MIPS，I/O靜態(tài)功耗為0.148mA/MIPS。內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗約為0.628mA /MIPS。

為了增加平臺(tái)的控制功能和擴(kuò)充能力，采用了TI公司的微控制器MSP430F149。該芯片是TI公司的一種超低功耗的Flash微控制器，內(nèi)核為16位RISC CPU。其存儲(chǔ)器模塊是目前業(yè)界所有內(nèi)部集成Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品中能耗最低的一種，具有超低功耗工作模式即活動(dòng)模式(僅MSP430)且：400?滋 A/MHz，3.0V。MSP430F149可以提供5種工作模式，最低功耗消耗可達(dá)1?滋A/MHz；采用IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以直接進(jìn)行C語(yǔ)言編程，開(kāi)發(fā)起來(lái)方便快捷。

2.2 CODEC與DSP的接口電路設(shè)計(jì)

由于CODEC(TLV320AIC10)與DSP(TMS320VC5510A)都是TI公司提供的高速芯片，因此二者在速度和時(shí)序上可完全匹配，能實(shí)現(xiàn)芯片間的無(wú)縫連接(二者的連接示意圖見(jiàn)圖2)。

其中TLV320AIC10的工作時(shí)鐘由MSP430F149通過(guò)內(nèi)部分頻向TLV320AIC10的MCLK提供2.048MHz的時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘。TLV320AIC10工作在主模式下，向TMS320VC5510A提供串行時(shí)鐘SCLK和幀同步信號(hào)FS。幀同步信號(hào)FS由 TLV320AIC10內(nèi)部256分頻后通過(guò)FS管腳輸出，是脈寬為一個(gè)SCLK時(shí)鐘的8 000Hz正脈沖信號(hào)。TLV320AIC10的復(fù)位信號(hào)由DSP的通用I/O管腳提供，PWRDWN管腳用于控制TLV320AIC10的工作狀態(tài)：該管腳置低，TLV320AIC10停止工作，處于IDLE狀態(tài)，達(dá)到節(jié)省功耗的目的；該管腳置高，TLV320AIC10處于正常工作模式。本例中在該管腳處加了一個(gè)上拉電阻，以確保TLV320AIC10處于正常工作狀態(tài)。

DSP采用McBSP0與TLV320AIC10相連接，該McBSP0通用串口工作在從模式。BCLKR0/BCLKX0分別是通用串口接收和發(fā)送的移位時(shí)鐘，BFSR0/BFSX0分別是接收和發(fā)送的幀同步信號(hào)，BDR0是接收數(shù)據(jù)引腳，BDX0是發(fā)送數(shù)據(jù)引腳。接收來(lái)的數(shù)據(jù)可以由幀同步信號(hào)觸發(fā)中斷，由中斷服務(wù)程序進(jìn)行讀寫(xiě)；也可以通過(guò)DMA通道直接轉(zhuǎn)換到特定的緩沖區(qū)中。

TLV320AIC10的幀可分為主幀和從幀。在主幀中進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的傳輸，在從幀中對(duì)TLV320AIC10的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置。當(dāng) TLV320AIC10工作在15＋1位模式時(shí)，主幀的最后1個(gè)位決定主幀之后的下一個(gè)幀是從幀還仍然是一個(gè)主幀。在TLV320AIC10初始化過(guò)程中，通過(guò)這種方式對(duì)其進(jìn)行初始化，配置TLV320AIC10內(nèi)部的4個(gè)寄存器。DSP配置TLV320AIC10寄存器的過(guò)程如圖3所示。

TLV320AIC10 初始化流程圖

圖3 TLV320AIC10 初始化流程圖

DSP主程序配置完TLV320AIC10的內(nèi)部寄存器以后，會(huì)設(shè)置相應(yīng)的中斷處理程序，打開(kāi)相應(yīng)的中斷屏蔽，通過(guò)中斷服務(wù)程序進(jìn)行語(yǔ)音樣點(diǎn)的傳輸。

來(lái)源：維庫(kù)