引言

數字信號自從出現以后就以其無與倫比的優勢迅速打破了原來模擬信號一統天下的局面。隨著音頻處理技術的發展，音頻處理算法越來越復雜，采用傳統的模擬信號處理的辦法來實現這些算法不僅難度大，成本高，有的甚至根本無法實現。然而，由于數字信號處理器(DSPs)速度的不斷提高，這些復雜的音頻處理算法可以很容易地通過DSPs實現，因此如今很多音頻處理采用DSPs實現。然而原始的音頻信號都是模擬的，如果采用數字信號處理技術進行音頻處理，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路數字信號輸入和1路數字信號輸出的音頻處理系統。分析系統的硬件連接和功能實現方法，以及系統的軟件工作原理。

1 設計方案

系統設計框架如圖1所示。數字信號處理器選用TI公司的32位浮點DSPs TMS320C6727，A／D轉換部分采用2片TI公司的音頻模／數轉換芯片PCM4204，D／A轉換部分采用2片TI公司的音頻數／模轉換芯片PCM4104，數字信號接收部分選用數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雜的音頻處理算法，滿足系統實時性的要求。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，可以實現與其他音頻設備的無縫連接。

PCM4204與PCM4104分別是4通道、24位、216kHz采樣頻率的模／數和數／模芯片。其中PCM4．204支持左校驗、右校驗、I2S等數據傳輸格式，且主／從模式可以設置；PCM4104支持左校驗、右校驗、I2S等數據傳輸格式，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。音頻采集部分實現模擬音頻信號轉換成數字音頻信號并傳入TMS320C6727；音頻回放部分實現數字音頻信號從TMS320C6727輸出并轉換成模擬音頻信號驅動揚聲器；通信部分實現與其他音頻設備間的數據傳輸。音頻數據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個串行數據口AXR0～AXRl5，McASPl有6個串行數據口(共用AXR8～AXRl3)，McASP2有2個串行數據口(共用 AXRl4、AXRl5)。音頻采集與回放使用McASPO的AXR0～AXR7，音頻數據通信發送采用McASP0的AXRl4，接收采用McASP2 口。

PCM4204與PCM4104的時鐘由PLL1707組成的時鐘電路產生，時鐘頻率為24．576 MHz(256fs，fs為采樣頻率)。每個McASP口的接收數據時鐘和發送數據時鐘是相互獨立的，并且都有自己的主時鐘(AHCLK)，當McASP 接口為I2S提供時鐘信號時，BCK和LRCK除可以從系統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系。



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

PCM4204有Master／Slave(主／從)兩種工作模式：當工作在Master模式時，PCM4204產生BCK信號和LRCK信號；當工作在 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產生。為了防止2片PCM4204同時設為Master模式而造成時鐘信號混亂，把其中一片設置為Master模式，另一片設置為 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發出來的串行數字音頻信號。

2．2 音頻回放電路

音頻回放電路完成數字信號到模擬信號的轉化和播放。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的系統時鐘也由時鐘電路提供。

McASP0口的AXR4～AXR7設置為發送模式并與PCM4104的信號輸入腳相連，實現串行數字音頻信號的回放。

2．3 音頻通信電路

音頻通信電路能夠實現音頻系統與其他設備之間的數據傳輸。傳輸格式為S／PDIF，采用雙相標識編碼 (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，通過數字音頻解調芯片DIR900l把BMC信號轉化成 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DIR9001解調后的數字音頻信號。MeASP2的 AXRl5端口設為輸出端口，以BMC格式輸出音頻數據。



3 音頻系統硬件配置

3．1 PCM4204設置

PCM4204的控制引腳用于設置其工作方式。其中引腳S／M用于選擇主／從模式，FSO、FSl、FS2用于選擇采樣模式(sampling mode)，FMTO、FMTl、FMT2用于選擇音頻數據格式(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。根據以上配置信息，PCM4204采樣模式設置為Dual Rate模式；采樣頻率fs為系統時鐘的1／256，即96 kHz；數據輸出格式為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。根據上述配置情況，PCM4104配置為DualRate數據接收模式；數據接收格式為I2S；無去加重。

4 系統軟件設計

系統軟件在TI公司的DSP集成開發環境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。初始化結束后PCM4204開始采樣，數據傳輸到McASP0口的接收緩沖寄存器RBUF[O]～RBUF[3]中。如果有數字信號傳入，同樣被傳輸到McASP0口的接收緩沖寄存器RBUF[14] 中。

數據處理程序可對采樣后的音頻數據或來自其他設備的數字音頻數據進行濾波、降噪、音頻編碼和數據壓縮等處理。

音頻回放程序能夠實現DSP內的數據到D／A芯片的數據傳輸，數字信號發送程序用于將DSPs內的數據轉換成BMC格式的信號，并傳給同軸電纜接頭。

結論

筆者設計的8路音頻采集、處理、回放系統，可以實現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，并成功實現了數字音頻信號loopback模式下的通信。