引言

數(shù)字信號自從出現(xiàn)以后就以其無與倫比的優(yōu)勢迅速打破了原來模擬信號一統(tǒng)天下的局面。隨著音頻處理技術(shù)的發(fā)展，音頻處理算法越來越復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的模擬信號處理的辦法來實現(xiàn)這些算法不僅難度大，成本高，有的甚至根本無法實現(xiàn)。然而，由于數(shù)字信號處理器(DSPs)速度的不斷提高，這些復(fù)雜的音頻處理算法可以很容易地通過DSPs實現(xiàn)，因此如今很多音頻處理采用DSPs實現(xiàn)。然而原始的音頻信號都是模擬的，如果采用數(shù)字信號處理技術(shù)進行音頻處理，首先要面對的就是音頻采集、處理和輸出系統(tǒng)問題。

本文介紹了一個8路模擬音頻輸入、8路模擬音頻輸出、1路數(shù)字信號輸入和1路數(shù)字信號輸出的音頻處理系統(tǒng)。分析系統(tǒng)的硬件連接和功能實現(xiàn)方法，以及系統(tǒng)的軟件工作原理。

1 設(shè)計方案

系統(tǒng)設(shè)計框架如圖1所示。數(shù)字信號處理器選用TI公司的32位浮點DSPs TMS320C6727，A／D轉(zhuǎn)換部分采用2片TI公司的音頻模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片PCM4204，D／A轉(zhuǎn)換部分采用2片TI公司的音頻數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片PCM4104，數(shù)字信號接收部分選用數(shù)字音頻接收接口芯片DIR9001。

TMS320C6727是TI公司推出的一款專門用于音頻信號處理的高速、浮點DSPs。其高達300 MHz的頻率再加上32位的浮點處理能力，使得它可以輕松運行各種復(fù)雜的音頻處理算法，滿足系統(tǒng)實時性的要求。另外其本身帶有3個McASP接口，支持 I2S、TDM、S／PDIF等多種音頻傳輸格式，可以實現(xiàn)與其他音頻設(shè)備的無縫連接。

PCM4204與PCM4104分別是4通道、24位、216kHz采樣頻率的模／數(shù)和數(shù)／模芯片。其中PCM4．204支持左校驗、右校驗、I2S等數(shù)據(jù)傳輸格式，且主／從模式可以設(shè)置；PCM4104支持左校驗、右校驗、I2S等數(shù)據(jù)傳輸格式，軟靜音(soft mute)模式，軟／硬兩種控制方式可供選擇。

DIR9001用于接收采樣頻率在24～108 kHz之間的雙相編碼信號，輸出格式為I2S、左校驗、右校驗等。

2 硬件電路

音頻系統(tǒng)硬件電路分為音頻采集、音頻回放和通信3個部分。音頻采集部分實現(xiàn)模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字音頻信號并傳入TMS320C6727；音頻回放部分實現(xiàn)數(shù)字音頻信號從TMS320C6727輸出并轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號驅(qū)動揚聲器；通信部分實現(xiàn)與其他音頻設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。音頻數(shù)據(jù)的采集傳輸與通信都通過 TMS320C6727的McASP口完成。TMS320C6727有3個McASP口：McASP0、McASPl、McASP2口。其中McASP0 口有16個串行數(shù)據(jù)口AXR0～AXRl5，McASPl有6個串行數(shù)據(jù)口(共用AXR8～AXRl3)，McASP2有2個串行數(shù)據(jù)口(共用 AXRl4、AXRl5)。音頻采集與回放使用McASPO的AXR0～AXR7，音頻數(shù)據(jù)通信發(fā)送采用McASP0的AXRl4，接收采用McASP2 口。

PCM4204與PCM4104的時鐘由PLL1707組成的時鐘電路產(chǎn)生，時鐘頻率為24．576 MHz(256fs，fs為采樣頻率)。每個McASP口的接收數(shù)據(jù)時鐘和發(fā)送數(shù)據(jù)時鐘是相互獨立的，并且都有自己的主時鐘(AHCLK)，當(dāng)McASP 接口為I2S提供時鐘信號時，BCK和LRCK除可以從系統(tǒng)時鐘得到外還可以從AHCLK分頻得到。

2．1 音頻采集電路

音頻采集電路連線圖由圖2給出。因為本文重點不在前端調(diào)理電路，所以圖中只給出了PCM4204與TMS320C6727的MeASP0口之間的硬件連接關(guān)系。



PCM4204與McASPO口之間的數(shù)據(jù)傳輸格式選用I2S總線。I2S總線有3種主要信號：位時鐘(BCK)、幀時鐘(LRCK)和串行數(shù)據(jù)。

PCM4204有Master／Slave(主／從)兩種工作模式：當(dāng)工作在Master模式時，PCM4204產(chǎn)生BCK信號和LRCK信號；當(dāng)工作在 Slave模式時，PCM4204接收BCK信號和LRCK信號。TMS320C6727的McASP接口同樣可以接收BCK信號和LRCK信號。考慮到 McASP接口的BCK信號和LRCK信號由DSPs的內(nèi)部時鐘分頻得到，無法得到音頻所需的精確時鐘信號，因此BCK信號和LRCK信號由 PCM4204產(chǎn)生。為了防止2片PCM4204同時設(shè)為Master模式而造成時鐘信號混亂，把其中一片設(shè)置為Master模式，另一片設(shè)置為 Slave模式。工作在Master模式的PCM4204同時為McASP0口的接收時鐘和另一片PCM4204提供BCK信號和LRCK信號。

McASP0口的AXR0～AXR3設(shè)置為接收模式分別與2片PCM4204的信號輸出端相連，用于接收從PCM4204發(fā)出來的串行數(shù)字音頻信號。

2．2 音頻回放電路

音頻回放電路完成數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)化和播放。音頻回放部分連線圖如圖3所示。



PCM4104只能工作在Slave模式，所以要由McASP口的AFSX0和ACLKX0提供時鐘信號。為了保證音頻回放的采樣頻率與音頻采集的采樣頻率相同，AFSX0和ACLKX0提供的時鐘信號從AHCLKX0分頻獲得，AH—CLKXO由時鐘電路提供24．576 MHz的時鐘信號。同樣，PCM4104的系統(tǒng)時鐘也由時鐘電路提供。

McASP0口的AXR4～AXR7設(shè)置為發(fā)送模式并與PCM4104的信號輸入腳相連，實現(xiàn)串行數(shù)字音頻信號的回放。

2．3 音頻通信電路

音頻通信電路能夠?qū)崿F(xiàn)音頻系統(tǒng)與其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。傳輸格式為S／PDIF，采用雙相標(biāo)識編碼 (Biphase—Mark Code，BMC)。McASP接口支持該傳輸方式，可以直接從McASP口輸出。對于信號接收，通過數(shù)字音頻解調(diào)芯片DIR900l把BMC信號轉(zhuǎn)化成 I2S格式并傳輸給McASP2口的接收端。硬件連接如圖4所示，McASP2作為接收端，接收經(jīng)DIR9001解調(diào)后的數(shù)字音頻信號。MeASP2的 AXRl5端口設(shè)為輸出端口，以BMC格式輸出音頻數(shù)據(jù)。



3 音頻系統(tǒng)硬件配置

3．1 PCM4204設(shè)置

PCM4204的控制引腳用于設(shè)置其工作方式。其中引腳S／M用于選擇主／從模式，F(xiàn)SO、FSl、FS2用于選擇采樣模式(sampling mode)，F(xiàn)MTO、FMTl、FMT2用于選擇音頻數(shù)據(jù)格式(audio data format)。2片PCM4204的引腳配置如下：



PCM4204有3種工作模式：Single Rate、Dual Rate和Quad Rate。根據(jù)以上配置信息，PCM4204采樣模式設(shè)置為Dual Rate模式；采樣頻率fs為系統(tǒng)時鐘的1／256，即96 kHz；數(shù)據(jù)輸出格式為I2S。

3．2 PCM41 04的配置

PCM4104分為軟件配置和硬件配置，本設(shè)計采用硬件配置。其中引腳FSO、FSl用于配置采樣模式；FMTO、FMTl、FMT2用于選擇接收數(shù)字音頻信號的格式；DEM0、DEMl用于選擇去加重。其配置如下：



PCM4104也有3種工作模式：Single Rate、Dual Rate和Quad Rate。根據(jù)上述配置情況，PCM4104配置為DualRate數(shù)據(jù)接收模式；數(shù)據(jù)接收格式為I2S；無去加重。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件在TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS3．3下用C語言編寫，其軟件流程如圖5所示。



初始化程序包括DSPs TMS320C6727的時鐘、中斷、McASP口的配置，以及PCM4204和PCM4104的配置等。初始化結(jié)束后PCM4204開始采樣，數(shù)據(jù)傳輸?shù)組cASP0口的接收緩沖寄存器RBUF[O]～RBUF[3]中。如果有數(shù)字信號傳入，同樣被傳輸?shù)組cASP0口的接收緩沖寄存器RBUF[14] 中。

數(shù)據(jù)處理程序可對采樣后的音頻數(shù)據(jù)或來自其他設(shè)備的數(shù)字音頻數(shù)據(jù)進行濾波、降噪、音頻編碼和數(shù)據(jù)壓縮等處理。

音頻回放程序能夠?qū)崿F(xiàn)DSP內(nèi)的數(shù)據(jù)到D／A芯片的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)字信號發(fā)送程序用于將DSPs內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成BMC格式的信號，并傳給同軸電纜接頭。

結(jié)論

筆者設(shè)計的8路音頻采集、處理、回放系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高信噪比的音頻采集和回放。在實際測試過程中，把采入的音頻信號不經(jīng)處理直接回放，聲音效果非常好，感覺不到聲音失真和延遲，并成功實現(xiàn)了數(shù)字音頻信號loopback模式下的通信。