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基于ADSP-BF533的聲頻定向算法實現
李學生 徐利梅 陳敏 王瑩
成都電子科技大學機械電子工程學院
摘要：聲頻定向是一種可以實現聲音定向傳播的新型技術，本文針對該技術中的音頻信號調制算法，給出了一種基于ADI公司ADSP-BF533 DSP的硬件實現平臺，介紹了相應的實現原理。該平臺具體包含信號采集單元（16位A/D轉換器）、信號處理單元（ADSP-BF533處理器）、信號輸出單元（12位D/A轉換器）以及濾波單元等。
關鍵字：聲頻定向 音頻調制 DSP
中圖分類號：TB55 文獻標識碼：B
項目來源：國家自然科學基金《聲頻定向新型超聲波傳感器關鍵技術的研究》
（項目編號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
傳統的揚聲器包括分頻設備、低音、中音、高音等單元，它利用筒式結構直接激勵空氣分子運動產生可聽聲波，聲頻定向裝置與這種傳統創造聲波的方式完全不同，它通過超聲波傳感器發出經超聲波調制的聲音信號，利用波在空氣中的非線性傳播效應，信號自解調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遠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車前的目標發聲提醒；還可以用在多語言會議中，把不同的聲音信號傳達給不同的目標收聽。
聲頻定向技術的關鍵是超聲波傳感器的設計和對音頻信號的調制。其中建立合適的調制模型顯得尤為重要，國內外眾多學者在這方面做了大量的探索性研究工作，并未能達成一致的標準。新加坡南洋理工大學提出了一種改善的音頻調制模型，利用現場可編程門陣列（Field Programmable Gates Array，簡稱FPGA）成功進行了實驗，但依然存在一些有待解決的問題。
隨著高速數字信號處理器（Digital Signal Processor，簡稱DSP）的快速發展，音頻信號的處理越來越多地采用DSP器件實現。ADI公司推出的Blackfin系列DSP體系結構特別適合視頻、圖像、音頻、語言和數據通信等數字信號處理，同時提供綜合的控制能力。
2 系統實現原理
2.1 聲頻定向算法
音頻信號的調制處理對聲頻定向超聲波傳感器能否產生聲音、產生聲音的品質好壞起著至關重要的作用。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的線性聲學理論尋找出合適的音頻調制模型。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，對其求解可幫助建立起最合適的音頻調制模型。
2001年度，新加坡南洋理工大學Woon-Seng Gan教授領導下的研究小組做了大量的探索性工作，提出了一種改進的音頻調制模型(式2-1)，并進行了相關的仿真和實驗，驗證了該模型的正確性。
（2-1）
y(t)為輸出信號；
r(t)為輸入音頻信號；
m為調制度參數；
p0為基波幅度參數；
ωc為載波頻率，取40kHz；
r(t)為原始音頻信號，通過模/數轉換芯片進行采集，y(t)為調制后輸出信號，通過數/模轉換芯片輸出。該算法為連續時域模型，通過離散化把t變為采樣時間kT(k為采樣次數，T為單次采樣時間)實現求解。
2.2 聲頻定向系統
系統框圖如圖1所示。音源可以選擇錄放機、CD機、MP3、計算機聲卡等。原始音頻信號經過低通濾波器濾波后進入A/D被采集，信號經DSP算法被調制后通過D/A輸出，經帶通濾波器濾波送入放大器環節放大驅動超聲波傳感器發射。超聲波在空氣中傳輸的過程中，由于非線性交互作用，超聲波自解調產生了一些附加分量，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），最后就只剩下原調制波（可聽音頻信號）傳達給收聽目標。
圖1 聲頻定向系統框圖
3 硬件結構
3.1 濾波單元
濾波單元包含兩部分（圖1），一是音頻信號進入A/D芯片前的濾波（低通濾波器），一是調制算法輸出信號通過D/A輸出進入放大器之前的濾波（帶通濾波器）。由于音頻信號頻率范圍為20~20kHz，調制后輸出信號頻率為20k~80kHz，因此低通濾波器截止頻率設計為20kHz，帶通濾波器中心頻率設計為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
運算放大器采用LM358，實際應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源，主要是作為仿真用。濾波單元仿真結果如圖4、圖5所示。直線代表原始音頻信號的幅頻特性曲線，曲線為輸出信號幅頻特性曲線。
圖4 低通濾波器仿真結果
圖5 帶通濾波器仿真結果
3.2 信號采集單元A/D
根據香農采樣定理，為保證音頻信號的不失真，A/D芯片的采樣頻率應在40kHz以上，理論上采樣頻率越高，對信號的還原越好，但可靠性會相對降低，成本也相對增加。此處選擇AD公司的ADS8320模/數轉換芯片，其采樣頻率為100kHz，精度為16位，數據采用串行傳輸，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現對音頻信號的采集。
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，如UART、SPORT、SPI、實時時鐘、定時器、PPI、通用可編程口等等。除通用I/O、實時時鐘、定時器外，每個外設擁有一個靈活的DMA結構。片內還有一個獨立的存儲器DMA 通道，專用于在處理器的不同存儲空間，包括外部的SDRAM 和異步存儲器，進行數據傳輸。多條片內總線能以133MHz 的速度運行，提供了足夠的帶寬以保證處理器內核能夠跟得上片內和片外外設。
ADSP-BF533內核頻率高達600 MHz，包含2個16位MAC，2個40位ALU，4個8位視頻ALU，以及1個40位移位器，擁有RISC 式寄存器和指令模型，編程簡單，編譯環境友好，有先進的調試、跟蹤和性能****功能。內核電壓VDD為0.8V-1.2V，功耗非常低。片內集成有調壓器支持從3.3V-2.5V的輸入電壓。
3.3.2存儲器
ADSP-BF533片內存儲器為148Kbytes，留給用戶的只有幾千字節，另外內部無程序存儲器，因此必須進行擴展。BF533存儲器控制器可與SDRAM、SRAM、Flash 和ROM 無縫連接，較容易實現擴展。
根據聲頻定向算法的需要，采用MICRON公司的256M MT48LC16M16A2TG-75型SDRAM芯片作為數據存儲器，采用AMD公司的AMLV29800DB型512K×16bit/1M×8bit FLASH作為程序存儲器（圖6為ADSP-BF533與存儲器連接圖）。
圖6 ADSP-BF533存儲器擴展
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，由于BF533的每個BANK最大只支持1M ×8bit/512K×16bit異步存儲器，因此選擇FLASH芯片時，需要考慮容量與每個BANK所支持的最大容量是否相符，否則需要跨越BANK使用，會給編程帶來很大困難。
SDRAM工作頻率為133MHz，其各個引腳實現了與BF533的無縫連接，在電路板布線時要考慮信號完整性問題。
3.4 信號輸出單元D/A
音頻信號被調制后理論頻率范圍為20k~60KHz，為保證實時性，除了對DSP速度要求高以外，還需D/A輸出建立時間快（不能慢于3us）。此處選用TI公司的TLV5636D數/模轉換芯片，該芯片內部有控制寄存器，可通過編程選擇內部參考電壓以及工作模式（快速和慢速，快速模式下建立時間位1us，慢速模式下建立時間為3us），精度為12位，數據采用串行傳輸，和BF533 DSP的SPI接口完全匹配。
4結論
實驗采用單一頻率的正旋波作為輸入信號，利用示波器及動態信號分析儀觀察輸出波形的情況，以驗證硬件及軟件的正確性。
ADSP-533的處理速度快，能夠應付大量的運算，保證信號傳輸過程中的實時性，給出的方案不僅適用于音頻信號處理領域，也適用于其他涉及信號采集處理的領域。
本文作者創新點：采用ADI公司ADSP-BF533 DSP實現聲頻定向技術中的音頻調制模型，提出的硬件實現平臺可用于多種領域。
參考文獻
[1] Woon-Seng Gan, Yew-Hin Liew, Kelvin Chee-Mun Lee, See-Ee Tan,Audio BEAM Using TI Digital &Analog Components.Nanyang Technological University, Singapore,2001.
[2] ATC ltd. Theory, History and The Advancement of Parametric Loudspeakers.Rev.E .
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[4] POMPEI F. Joseph. Sound from ultrasound: the parametric array as an audible sound source [D]. USA: Massachusetts Institute of Technology, 2002
[5] 陳峰，Blackfin系列DSP原理與系統設計，北京：電子工業出版社，2004.
[6] 安穎，劉麗娜，基于DSP的高速信號采集與處理系統的設計，《微計算機信息》2005年第21卷第1期，57~58頁
作者簡介：李學生，男，1980年5月生，漢族，山東沂南人，碩士，研究方向為計算機自動控制、微機電系統，教師， Email: allanlxs@163.com
通信地址(610054，成都電子科技大學機械電子工程學院）李學生
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