如何在主流MCU和DSC上實現音頻算法

數字音頻和語音無處不在，產品范圍從專業工業嵌入式系統到消費類產品，如耳機和車載套件。許多應用需要處理器將噪聲抑制，回聲消除和增益控制等算法實時應用于流，以最大化音頻質量。大多數設計團隊可能會將此類算法與專用于DSP專用處理器的實現相關聯，這些處理器專用于音頻任務。然而，今天，集成DSP數學功能的微控制器（MCU） - 通常稱為數字信號控制器（DSC） - 可以處理實時音頻算法和其余的應用要求。我們將研究一些典型的算法，并考慮如何在主流MCU和DSC上實現這些算法。

首先，我們將介紹一些典型的以音頻為中心的功能，這些功能可能會用于通信應用，如電話，免提套件，對講機，無線電和其他設備。噪聲是此類應用中的常見問題，盡管抑制算法可以通過麥克風大大降低與語音一起捕獲的環境噪聲（圖1）。噪聲源可能是機器，甚至是PC的風扇噪音。

圖1：噪聲抑制算法可以大大降低麥克風隨聲音捕獲的環境噪聲。

噪聲抑制算法通常必須在數據流上實時執行。 Microchip提供了與dsPIC DSC一起使用的算法。該算法對語音數據進行操作，該數據采用8 kHz采樣，分辨率為16位。該算法順序處理10毫秒的語音塊。

噪聲抑制算法中的主要DSP功能是頻域快速傅立葉變換（FFT）。該算法不斷更新檢測到的噪聲的輪廓。它可以縮放各個頻段的信號，放大語音和靜音噪聲。

Microchip在噪聲抑制庫中提供算法。該算法以匯編語言編碼以獲得最大性能，但高級語言應用程序代碼可以通過應用程序編程接口（API）訪問這些函數。

聲學回聲消除

回聲消除是另一種方便的算法，可以提高音頻質量，尤其是在有線或無線通信鏈路上（圖2）。當麥克風和揚聲器彼此靠近時，從揚聲器到麥克風的信號傳播到通信鏈路的另一端，產生最多會分散注意力的回聲，并且最壞的情況是使鏈路無用。

圖2：回聲消除依賴于時域有限脈沖響應（FIR）濾波器來消除通過通信鏈路傳播的語音中的回聲。

Microchip提供聲學回聲消除庫，以消除回聲現象。時域算法依賴于自適應有限脈沖響應（FIR）濾波器，該濾波器應用于來自通信鏈路遠端的音頻。濾波器系數提供此自適應能力，并使用歸一化最小均方（NLMS）算法進行設置。該算法確保濾波器緊密地模擬實際聲學路徑。此外，非線性處理器算法消除了殘余回聲。

與噪聲抑制算法類似，聲學回聲消除庫采用匯編語言編碼，可以在dsPIC處理器上實時處理數據。它提供大于40 dB的消除，并使用8 kHz采樣率。它還與通常用于汽車免提應用的G.167 ITU標準兼容。

Microchip提供了幾個額外的以音頻為中心的庫。例如，符合ITU G.168標準的線路回聲消除庫以電話系統為目標?；贕UI的語音和音頻快進工具可與其他庫（如噪聲抑制庫）配合使用，以允許調整應用程序。自動增益控制庫可輕松調整音頻電平。

數字信號控制器

現在我們將討論您可能在音頻應用中使用的處理器類型。如上所述，Microchip庫是為公司的dsPIC DSC設計的。 DSC本質上只是一個增加了數學硬件以支持以DSP為中心的應用的MCU。與典型的MCU一樣，這些IC仍然集成了存儲器和各種外設。

Microchip實際上是第一個使用DSC的術語，盡管現在幾乎每個MCU供應商都有這樣的產品。 Microchip提供的產品包括dsPIC30F和dsPIC33F/E系列。所有產品都包括單周期硬件MAC（乘法器累加器） - 具體來說，是一個16x16位乘法器和一個40位累加器。 DSC還包括一個桶形移位器，可以在一個周期內移位任意數量的位。桶形移位器和MAC一起實現了以DSP為中心的算法的實時執行。圖3中的框圖描述了dsPIC30F架構。

圖3：dsPIC30F DSC包括一個16x16位乘法器和40位累加器，以及一個桶形移位器，用于實現以DSP為中心的應用。

選擇DSPIC系列的成員添加在音頻和語音應用中特別方便的外設。例如，dsPIC33FJ128GP804 DSC包含一個16位雙通道數模轉換器（DAC），可用于輸出音頻。此外，DSC還包括一個10位模數轉換器（ADC），支持多達13個音頻輸入通道。 ADC每秒可捕獲超過一百萬個樣本。 40 MIPS處理器提供了實現應用程序代碼和音頻算法的性能余量。

DSC開發板

想要嘗試dsPIC技術的設計團隊有許多可供選擇的開發板。 Microchip DM24001-ND dsPIC Explorer板包含dsPIC33FL256GP710 DSC，Microchip DM24002-ND dsPIC Explorer板包含dsPIC33FJ32GP204 DSC。兩者都配有16位PIC MCU。

Explorer板是一般實驗的理想選擇，但Microchip還提供針對特定應用的夾層PICtail板，可與基本Explorer板一起使用。音頻PICtail plus開發板包括一個16/24位編解碼器，一個耳機放大器，以及具有可調增益的麥克風和線路輸入。語音PICtail開發板支持自適應差分脈沖編碼調制（ADPCM）。