戰(zhàn)車內(nèi)通信音頻處理系統(tǒng)設(shè)計

黃金金,潘玉田,范昱珩

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原 030051;2.中國兵器科學(xué)研究院,北京 10089)

戰(zhàn)車內(nèi)通信音頻處理系統(tǒng)設(shè)計

黃金金1,潘玉田1,范昱珩2

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原 030051;2.中國兵器科學(xué)研究院,北京 10089)

針對戰(zhàn)車內(nèi)部乘員間通話時強(qiáng)烈噪聲的干擾問題,設(shè)計了基于DSP和ARM的數(shù)字車通音頻處理系統(tǒng)。系統(tǒng)由LPC2378、TMS320VC5402和TLV320AIC23主要部件組成,A RM微控制器LPC2378以SPI方式控制TLV320AIC23音頻芯片,用DSP TMS320VC5402的McBSP接口與T LV320AIC23傳輸數(shù)據(jù),給出了ARM配置TLV320AIC23、DSP與TLV320AIC23間數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌诔绦蛟O(shè)計和DSP實現(xiàn)譜減法語音增強(qiáng)算法流程。該設(shè)計接口簡單,充分發(fā)揮了ARM的控制性能和DSP的數(shù)據(jù)處理能力,為乘員間高質(zhì)量語音通信提供了實現(xiàn)方案。

信息處理技術(shù);戰(zhàn)車;通信;音頻處理

1 戰(zhàn)車內(nèi)語音通信系統(tǒng)總體設(shè)計

筆者基于DSP(TMS320VC5402)強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力和ARM(LPC2378)控制器良好的控制功能,結(jié)合音頻編解碼芯片T LV320AIC23的接口特點,設(shè)計了主要由3者組成的音頻處理系統(tǒng)的傳輸接口硬件和語音數(shù)據(jù)傳輸、針對噪聲的譜減法語音增強(qiáng)處理軟件,為車內(nèi)乘員間清晰通話提供了有力保障。根據(jù)戰(zhàn)車通信的特殊要求,車內(nèi)語音通信系統(tǒng)主要由主控制器、乘員盒(炮長盒和駕駛員盒等)等組成,如圖1所示。系統(tǒng)以CAN總線為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),由主控制器控制整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換,車內(nèi)乘員可以通過操作乘員盒的鍵盤來選擇通話對象進(jìn)行單呼、組呼、廣播等通話模式[1-2]。其中音頻處理系統(tǒng)包括乘員盒采集麥克風(fēng)模擬音頻的數(shù)據(jù)輸入,經(jīng)A/D變換和語音增強(qiáng)等處理后由盒內(nèi)控制器將數(shù)字音頻流通過CAN總線傳輸出去;同時盒內(nèi)控制器從CAN總線采集數(shù)字音頻數(shù)據(jù),經(jīng)過D/A變換后,還原成模擬音頻并通過耳機(jī)進(jìn)行聲音播放。

2 乘員盒音頻處理硬件設(shè)計

2.1 乘員盒音頻處理總體設(shè)計

本音頻處理系統(tǒng)硬件設(shè)計可分為ARM控制器模塊,DSP音頻處理模塊,音頻A/D變換模塊等模塊,如圖2所示。ARM控制模塊控制整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn),DSP語音處理模塊完成語音數(shù)據(jù)的傳輸、增強(qiáng)處理。音頻A/D模塊實現(xiàn)模擬音頻與數(shù)字音頻的轉(zhuǎn)換,對語音信號進(jìn)行采集和播放。

2.2 芯片選擇

ARM控制器選用PHILIPS公司生產(chǎn)的LPC2378微控制器。該微控制器使用了高性能的32位ARM7內(nèi)核,可以在高達(dá)72MHz的頻率下操作,含有 512kB的片內(nèi) Flash和 58kB的片內(nèi)SRAM存儲器[3],接口多樣,具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸控制能力。

DSP處理器選用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC5402。它是一款16位定點DSP,運(yùn)算速度快指令執(zhí)行速度達(dá)到100MIPS[4]。自帶片內(nèi)存儲器和多種片上外設(shè),廣泛應(yīng)用于語音信號處理和通信領(lǐng)域。

音頻A/D芯片采用的是 TI公司的T LV320AIC23(簡稱AIC23)芯片,它是專與DSP芯片配套而設(shè)計的高性能立體聲音頻芯片[5]。有許多可編程特性。

2.3 音頻處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

音頻處理系統(tǒng)主要由上述3個處理芯片及其外圍電路組成。ARM控制模塊管理整個系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程,可對多個任務(wù)進(jìn)行調(diào)度[6]。LPC2378微控制器外圍音頻電路主要是與AIC23的接口電路,與DSP的HPI接口電路。DSP音頻處理模塊完成音頻數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。TMS320VC5402音頻處理電路是DSP與AIC23芯片的連接。AIC23的模擬接口主要包括以下4個部分:立體聲輸入、MIC輸入、立體聲輸出和耳機(jī)輸出。其中輸入選為麥克風(fēng)輸入,主要是用來通過無源的麥克風(fēng)進(jìn)行現(xiàn)場聲音的采集,要為麥克風(fēng)提供偏置電源。AIC23內(nèi)部包含耳機(jī)放大驅(qū)動電路,可以直接驅(qū)動普通的耳機(jī)。

AIC23分為單獨的控制接口和數(shù)據(jù)接口?？刂平涌谟蒑ODE等于1時選擇為SPI工作方式,如圖3所示。選擇SPI方式寫入寄存器是因為用SPI方式初始化芯片,配置寄存器,數(shù)據(jù)的寫入速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二線制的I2C方式。由于LPC2378始終處于主機(jī)模式向AIC23編解碼芯片發(fā)送控制信息,所以主機(jī)輸入從機(jī)輸出(MISO)引腳就不需要了,只要有3根線即可完成音頻數(shù)據(jù)的控制傳輸工作。T LV32OAIC23使用的SPI配置接口的3根線分別是CS選通線,SCLK時鐘線和SDIN串行數(shù)據(jù)輸入線。在SPI方式下,ARM采用主發(fā)送模式,時鐘線上的時鐘由主機(jī)ARM來提供,時鐘可編程控制。

AIC23的數(shù)據(jù)口有4種工作方式,分別為左對齊模式、右對齊模式、I2S模式和DSP模式。它能在數(shù)字和模擬電壓下工作,與DSP的I/O電壓相兼容,因而能夠?qū)崿F(xiàn)與DSP的MCBSP端口的無縫連接。TMS320VC5402有兩個多通道緩沖串口(McBSP),選用其中的McBSP0與AIC23進(jìn)行通信。由于 AIC23的DSP模式與 TI公司 DSP的McBSP口相兼容,LRCIN與LRCOUT與McBSP0的幀同步信號相連接。TMS320VC5402的MCBSP0應(yīng)工作在SPI模式下,以便使MCBSP0的接收器和發(fā)送器同步。收發(fā)時鐘信號CLKX0和CLKR0由 T LV320AIC23的串行數(shù)據(jù)傳輸時鐘BCLK提供,并由LV320AIC23的幀同步信號LRCIN、LRCOUT啟動串口數(shù)據(jù)傳輸,DX0和DR0分別與 TLV320AIC23的DIN和DOUT相連,可用于完成DSP與 TLV320AIC23之間的數(shù)字通信。而TMS320VC5402與LPC2378的通信是通過DSP上的HPI接口實現(xiàn)的。

3 音頻處理軟件設(shè)計

音頻系統(tǒng)軟件由ARM和DSP兩大部分組成,ARM控制AIC23的工作方式,對它進(jìn)行配置,完成與DSP的協(xié)調(diào)工作及與DSP的通信。主要包括對AIC23的控制接口編程,使其工作在所需的模式下,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。DSP主要完成音頻數(shù)據(jù)的采集和信號處理,并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM供應(yīng)用程序調(diào)用。主要包括從AIC23接受數(shù)據(jù)并進(jìn)行譜減法語音增強(qiáng)處理和與ARM的HPI通信。

3.1 ARM控制接口程序設(shè)計

音頻AIC23芯片功能控制是通過SPI總線配置其11個可編程寄存器實現(xiàn)。本音頻系統(tǒng)涉及到SPI包含5個寄存器,其名稱和功能等描述見表1。16Bits的控制字從MSB(最高位)開始,分為兩部分進(jìn)行傳輸。高7位為控制地址,低9位為控制數(shù)據(jù)。在SCLK時鐘16個上升沿之后,CS的上升沿將16位數(shù)據(jù)鎖存到TLV32OAIC23中。

表1 系統(tǒng)所用的 SPI寄存器Tab.1 SPI register used by system

AIC23的外部晶振是12 MHz,過采樣比率為256。AIC23配置為左右聲道線路輸入靜音;耳機(jī)左右聲道音量為6 dB;使能DAC,麥克風(fēng)音量為20 dB作為ADC輸入;使能ADC高通濾波;芯片各部分電路供電使能;采樣數(shù)據(jù)長度16位,采用DSP數(shù)據(jù)格式。

3.2 DSP與AIC23間的數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

DSP通過McBSP串行接口與AIC23芯片實現(xiàn)數(shù)字音頻傳輸。首先初始化DSP以及McBSP0的各個控制寄存器。AIC23采樣輸出的是串行數(shù)據(jù),需要協(xié)調(diào)好與之相配的DSP的串行傳輸協(xié)議。AIC23的DSP數(shù)據(jù)傳送模式是從MSB(最高位)開始,時鐘信號BCLK在主動方式下是輸出,而在從動方式下是輸入。由于McBSP串口的數(shù)據(jù)線DR和DX帶有緩存寄存器,而幀同步信號FSX、FSR以及時鐘信號CLKX、CLKR具有可編程性,從這些特點可以看到:將MCBSP串口設(shè)置為SPI工作模式,接收中斷使能;每幀發(fā)送、接收兩個16位字?jǐn)?shù)據(jù)。由T LV320AIC23的幀同步信號LRCIN、LRCOUT啟動串口傳輸,在 LRCIN或LRCOUT的下降沿開始數(shù)據(jù)傳輸。使用McBSP0的接收中斷緩存數(shù)據(jù)并進(jìn)行語音增強(qiáng)處理,最后將增強(qiáng)后的語音數(shù)據(jù)輸出到HPI接口,由LPC2378調(diào)用應(yīng)用程序處理。同時DSP接收ARM發(fā)送的數(shù)字語音數(shù)據(jù)后無需進(jìn)行處理直接交給AIC23進(jìn)行播放。

3.3 DSP減譜法語音增強(qiáng)處理程序設(shè)計

戰(zhàn)車內(nèi)通信系統(tǒng)的背景噪聲主要有低頻周期性噪聲(發(fā)動機(jī)周期性運(yùn)轉(zhuǎn))、脈沖噪聲和寬帶噪聲,對低頻周期性噪聲進(jìn)行 IIR數(shù)字濾波即可抑制。對寬帶噪聲采用基于短時譜估計的譜相減法進(jìn)行處理[7]。該算法是在假設(shè)加性噪聲與短時平穩(wěn)的語音信號相互獨立的條件下,從帶噪語音的功率譜中減去噪聲功率譜,從而得到較為純凈的語音頻譜[8]。

假設(shè)純凈語音s(n)被加性噪聲d(n)所污染,形成帶噪語音y(n),即y(n)=s(n)+d(n)。加窗分幀處理后表示為:式中:m為語音幀編號;n為每幀語音中采樣點的編號。

設(shè)ym(n)、sm(n)和dm(n)的傅里葉系數(shù)分別為Yk、Sk、Dk。直接對式(1)進(jìn)行傅里葉變換得:|Yk|=|Sk|+|Dk|,并用無話時的|Dk|統(tǒng)計平均λn(k)作為噪聲譜估計值,則有幅值譜相減法的經(jīng)典形式[9]:

圖4為基于幅值譜相減法的實現(xiàn)框圖,對輸入帶噪語音分幀加窗后,對有語音幀,提取出帶噪語音相位,并用之前最新的無語音幀得到的噪聲頻譜幅度估計值替代此幀噪聲的頻譜幅度,從帶噪語音頻譜幅度將其減去作為此幀語音頻譜幅度估計值,然后插入原帶噪語音相位即作為語音頻譜的估計值,對其進(jìn)行反傅里葉變換即可得到增強(qiáng)后的語音信號。

4 結(jié)束語

本文介紹了以戰(zhàn)車內(nèi)語音通話為應(yīng)用背景的雙CPU語音處理系統(tǒng)設(shè)計方案,論述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件編程。由ARM控制音頻AIC23芯片,DSP處理帶噪語音數(shù)據(jù)實現(xiàn)了語音信號的采集、檢測、增強(qiáng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸前處理。接口設(shè)計充分利用了 LPC2378的控制性能和 TMS320VC5402的語音數(shù)據(jù)處理能力,實驗結(jié)果表明,經(jīng)系統(tǒng)處理后的語音質(zhì)量滿足戰(zhàn)車通信指標(biāo)要求。系統(tǒng)為高噪聲背景下語音信號處理提供了解決方案。

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Design of Communication Audio Processing Systeminside Combat Vehicle

HUANG Jin-jin1,PAN Yu-tian1,FAN Yu-heng2

(1.Institute of Electromechanical Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,Shanxi,China;
2.China Ordnance Science Institute,Beijing 100089,China)

In order to solve the problems of strong noise interference when the crew s communicated inside the combat vehicle,the digital audio processing system based on DSP and ARM was designed.T he system was mainly composed of LPC2378,TMS320VC5402 and T LV320AIC23.ARM microcontroller based on LPC2378 controlled TLV320AIC23 audio chip by means of SPI interface,and DSP exchanged data with AIC23 through its multichannel buffer serial ports.The program of ARM equipped with TLV320AIC23 and data transmission interface between DSP and T LV320AIC23 were given,and implementation process of spectral subtraction method in speech enhancement algorithm based on DSP was described.The system has the simple interface,and the ARM control performance and DSP data processing capabilities are improved.The system can provide the realization program of high-quality speech communications for the crews inside the combat vehicle.

information processing;combat vehicle;communication;audio processing

TP368

A

1673-6524(2010)04-0099-04

2010-03-06;

2010-05-22

黃金金(1984―),男,碩士研究生,主要從事自行火炮總體技術(shù)研究。E-mail:chinahuangjinjin@163.com