基于ADSP-BF533的聲頻定向算法實(shí)現(xiàn)

李學(xué)生 徐利梅 陳敏 王瑩

成都電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院

摘要：聲頻定向是一種可以實(shí)現(xiàn)聲音定向傳播的新型技術(shù)，本文針對(duì)該技術(shù)中的音頻信號(hào)調(diào)制算法，給出了一種基于ADI公司ADSP-BF533 DSP的硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，介紹了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)原理。該平臺(tái)具體包含信號(hào)采集單元（16位A/D轉(zhuǎn)換器）、信號(hào)處理單元（ADSP-BF533處理器）、信號(hào)輸出單元（12位D/A轉(zhuǎn)換器）以及濾波單元等。

關(guān)鍵字：聲頻定向 音頻調(diào)制 DSP

中圖分類號(hào)：TB55  文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

項(xiàng)目來源：國家自然科學(xué)基金《聲頻定向新型超聲波傳感器關(guān)鍵技術(shù)的研究》

（項(xiàng)目編號(hào)60302001/F010104）

Audio Beam Arithmetic Based on ADSP-BF533

Li xuesheng Xu limei Chen min Wang ying

School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China 610054

Abstract: Audio Beam is a novel way of projecting audio signal in a highly directional manner. A hardware structure based on ADSP-BF533 of ADI company is designed to finish the audio-modulate arithmetic in the Audio Beam system. It includes four parts：signal-sampling, signal-processing, signal-output and filter.

Key Words:  Audio Beam Audio- modulate DSP

1引言

   傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器包括分頻設(shè)備、低音、中音、高音等單元，它利用筒式結(jié)構(gòu)直接激勵(lì)空氣分子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生可聽聲波，聲頻定向裝置與這種傳統(tǒng)創(chuàng)造聲波的方式完全不同，它通過超聲波傳感器發(fā)出經(jīng)超聲波調(diào)制的聲音信號(hào)，利用波在空氣中的非線性傳播效應(yīng)，信號(hào)自解調(diào)形成具有高度指向性的聲波。如同激光裝置可以把光束聚集在一個(gè)遠(yuǎn)距離的很小的截面上一樣，聲頻定向裝置可以把聲束聚集在一個(gè)確定的方向上，把原始聲音無失真地傳給指定方向上的收聽者，比如可以安裝在汽車上作為喇叭只對(duì)車前的目標(biāo)發(fā)聲提醒；還可以用在多語言會(huì)議中，把不同的聲音信號(hào)傳達(dá)給不同的目標(biāo)收聽。

聲頻定向技術(shù)的關(guān)鍵是超聲波傳感器的設(shè)計(jì)和對(duì)音頻信號(hào)的調(diào)制。其中建立合適的調(diào)制模型顯得尤為重要，國內(nèi)外眾多學(xué)者在這方面做了大量的探索性研究工作，并未能達(dá)成一致的標(biāo)準(zhǔn)。新加坡南洋理工大學(xué)提出了一種改善的音頻調(diào)制模型，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gates Array，簡稱FPGA）成功進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但依然存在一些有待解決的問題。

隨著高速數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，簡稱DSP）的快速發(fā)展，音頻信號(hào)的處理越來越多地采用DSP器件實(shí)現(xiàn)。ADI公司推出的Blackfin系列DSP體系結(jié)構(gòu)特別適合視頻、圖像、音頻、語言和數(shù)據(jù)通信等數(shù)字信號(hào)處理，同時(shí)提供綜合的控制能力。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

2.1 聲頻定向算法

音頻信號(hào)的調(diào)制處理對(duì)聲頻定向超聲波傳感器能否產(chǎn)生聲音、產(chǎn)生聲音的品質(zhì)好壞起著至關(guān)重要的作用。由于超聲波在空氣中的傳輸融入了很多非線性因素，幾乎不可能利用傳統(tǒng)的線性聲學(xué)理論尋找出合適的音頻調(diào)制模型。超聲波波束由Khokhlov Zabolotskaya Kuznetsov(KZK)方程描述，這是目前最精確的非線性描述方程，它考慮到了超聲波在空氣中散射、非線性、吸收等效應(yīng)，對(duì)其求解可幫助建立起最合適的音頻調(diào)制模型。

    2001年度，新加坡南洋理工大學(xué)Woon-Seng Gan教授領(lǐng)導(dǎo)下的研究小組做了大量的探索性工作，提出了一種改進(jìn)的音頻調(diào)制模型(式2-1)，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該模型的正確性。

（2-1）

y(t)為輸出信號(hào)；

r(t)為輸入音頻信號(hào)；

m為調(diào)制度參數(shù)；

p₀為基波幅度參數(shù)；

ω_c為載波頻率，取40kHz；

       r(t)為原始音頻信號(hào)，通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行采集，y(t)為調(diào)制后輸出信號(hào)，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片輸出。該算法為連續(xù)時(shí)域模型，通過離散化把t變?yōu)椴蓸訒r(shí)間kT(k為采樣次數(shù)，T為單次采樣時(shí)間)實(shí)現(xiàn)求解。

2.2 聲頻定向系統(tǒng)

   系統(tǒng)框圖如圖1所示。音源可以選擇錄放機(jī)、CD機(jī)、MP3、計(jì)算機(jī)聲卡等。原始音頻信號(hào)經(jīng)過低通濾波器濾波后進(jìn)入A/D被采集，信號(hào)經(jīng)DSP算法被調(diào)制后通過D/A輸出，經(jīng)帶通濾波器濾波送入放大器環(huán)節(jié)放大驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射。超聲波在空氣中傳輸?shù)倪^程中，由于非線性交互作用，超聲波自解調(diào)產(chǎn)生了一些附加分量，這些分量中含有高次諧波，其振幅較小，隨著傳播距離的增加，很快就衰減完畢（被空氣吸收），最后就只剩下原調(diào)制波（可聽音頻信號(hào)）傳達(dá)給收聽目標(biāo)。

圖1  聲頻定向系統(tǒng)框圖

3 硬件結(jié)構(gòu)

3.1 濾波單元

濾波單元包含兩部分（圖1），一是音頻信號(hào)進(jìn)入A/D芯片前的濾波（低通濾波器），一是調(diào)制算法輸出信號(hào)通過D/A輸出進(jìn)入放大器之前的濾波（帶通濾波器）。由于音頻信號(hào)頻率范圍為20~20kHz，調(diào)制后輸出信號(hào)頻率為20k~80kHz，因此低通濾波器截止頻率設(shè)計(jì)為20kHz，帶通濾波器中心頻率設(shè)計(jì)為40kHz，兩者均采用常見的二階有源濾波器。

圖2 低通濾波器

圖3 帶通濾波器

運(yùn)算放大器采用LM358，實(shí)際應(yīng)用中可用其他類型放大器（如AD8606）替代，其濾波效果都是非常接近的。圖中源采用交流信號(hào)源，主要是作為仿真用。濾波單元仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。直線代表原始音頻信號(hào)的幅頻特性曲線，曲線為輸出信號(hào)幅頻特性曲線。

圖4 低通濾波器仿真結(jié)果

圖5 帶通濾波器仿真結(jié)果

3.2 信號(hào)采集單元A/D

       根據(jù)香農(nóng)采樣定理，為保證音頻信號(hào)的不失真，A/D芯片的采樣頻率應(yīng)在40kHz以上，理論上采樣頻率越高，對(duì)信號(hào)的還原越好，但可靠性會(huì)相對(duì)降低，成本也相對(duì)增加。此處選擇AD公司的ADS8320模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其采樣頻率為100kHz，精度為16位，數(shù)據(jù)采用串行傳輸，體積小巧，功耗較低，和ADI-BF533 DSP的SPORT口完全匹配，用較為簡單的程序即可實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的采集。

3.3        DSP單元

3.3.1 ADSP-BF533處理器

ADSP-BF533 處理器包含了豐富的外設(shè)，如UART、SPORT、SPI、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)器、PPI、通用可編程口等等。除通用I/O、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、定時(shí)器外，每個(gè)外設(shè)擁有一個(gè)靈活的DMA結(jié)構(gòu)。片內(nèi)還有一個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器DMA 通道，專用于在處理器的不同存儲(chǔ)空間，包括外部的SDRAM 和異步存儲(chǔ)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。多條片內(nèi)總線能以133MHz 的速度運(yùn)行，提供了足夠的帶寬以保證處理器內(nèi)核能夠跟得上片內(nèi)和片外外設(shè)。

ADSP-BF533內(nèi)核頻率高達(dá)600 MHz，包含2個(gè)16位MAC，2個(gè)40位ALU，4個(gè)8位視頻ALU，以及1個(gè)40位移位器，擁有RISC 式寄存器和指令模型，編程簡單，編譯環(huán)境友好，有先進(jìn)的調(diào)試、跟蹤和性能****功能。內(nèi)核電壓VDD為0.8V-1.2V，功耗非常低。片內(nèi)集成有調(diào)壓器支持從3.3V-2.5V的輸入電壓。

3.3.2存儲(chǔ)器

    ADSP-BF533片內(nèi)存儲(chǔ)器為148Kbytes，留給用戶的只有幾千字節(jié)，另外內(nèi)部無程序存儲(chǔ)器，因此必須進(jìn)行擴(kuò)展。BF533存儲(chǔ)器控制器可與SDRAM、SRAM、Flash 和ROM 無縫連接，較容易實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。

    根據(jù)聲頻定向算法的需要，采用MICRON公司的256M MT48LC16M16A2TG-75型SDRAM芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，采用AMD公司的AMLV29800DB型512K×16bit/1M×8bit FLASH作為程序存儲(chǔ)器（圖6為ADSP-BF533與存儲(chǔ)器連接圖）。

圖6  ADSP-BF533存儲(chǔ)器擴(kuò)展

       FLASH芯片BYTE腳接高電平，工作在16位方式，使用ADSP-BF533的BANK0作為片選信號(hào)，由于BF533的每個(gè)BANK最大只支持1M ×8bit/512K×16bit異步存儲(chǔ)器，因此選擇FLASH芯片時(shí)，需要考慮容量與每個(gè)BANK所支持的最大容量是否相符，否則需要跨越BANK使用，會(huì)給編程帶來很大困難。

SDRAM工作頻率為133MHz，其各個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)了與BF533的無縫連接，在電路板布線時(shí)要考慮信號(hào)完整性問題。

3.4 信號(hào)輸出單元D/A

音頻信號(hào)被調(diào)制后理論頻率范圍為20k~60KHz，為保證實(shí)時(shí)性，除了對(duì)DSP速度要求高以外，還需D/A輸出建立時(shí)間快（不能慢于3us）。此處選用TI公司的TLV5636D數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，該芯片內(nèi)部有控制寄存器，可通過編程選擇內(nèi)部參考電壓以及工作模式（快速和慢速，快速模式下建立時(shí)間位1us，慢速模式下建立時(shí)間為3us），精度為12位，數(shù)據(jù)采用串行傳輸，和BF533 DSP的SPI接口完全匹配。

4結(jié)論

       實(shí)驗(yàn)采用單一頻率的正旋波作為輸入信號(hào)，利用示波器及動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀觀察輸出波形的情況，以驗(yàn)證硬件及軟件的正確性。

ADSP-533的處理速度快，能夠應(yīng)付大量的運(yùn)算，保證信號(hào)傳輸過程中的實(shí)時(shí)性，給出的方案不僅適用于音頻信號(hào)處理領(lǐng)域，也適用于其他涉及信號(hào)采集處理的領(lǐng)域。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用ADI公司ADSP-BF533 DSP實(shí)現(xiàn)聲頻定向技術(shù)中的音頻調(diào)制模型，提出的硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)可用于多種領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：李學(xué)生，男，1980年5月生，漢族，山東沂南人，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)自動(dòng)控制、微機(jī)電系統(tǒng)，教師， Email: allanlxs@163.com

通信地址(610054，成都電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院）李學(xué)生

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