如何在主流MCU和DSC上实现音频算法

数字音频和语音无处不在，产品范围从专业工业嵌入式系统到消费类产品，如耳机和车载套件。许多应用需要处理器将噪声抑制，回声消除和增益控制等算法实时应用于流，以最大化音频质量。大多数设计团队可能会将此类算法与专用于DSP专用处理器的实现相关联，这些处理器专用于音频任务。然而，今天，集成DSP数学功能的微控制器（MCU） - 通常称为数字信号控制器（DSC） - 可以处理实时音频算法和其余的应用要求。我们将研究一些典型的算法，并考虑如何在主流MCU和DSC上实现这些算法。

首先，我们将介绍一些典型的以音频为中心的功能，这些功能可能会用于通信应用，如电话，免提套件，对讲机，无线电和其他设备。噪声是此类应用中的常见问题，尽管抑制算法可以通过麦克风大大降低与语音一起捕获的环境噪声（图1）。噪声源可能是机器，甚至是PC的风扇噪音。

图1：噪声抑制算法可以大大降低麦克风随声音捕获的环境噪声。

噪声抑制算法通常必须在数据流上实时执行。 Microchip提供了与dsPIC DSC一起使用的算法。该算法对语音数据进行操作，该数据采用8 kHz采样，分辨率为16位。该算法顺序处理10毫秒的语音块。

噪声抑制算法中的主要DSP功能是频域快速傅立叶变换（FFT）。该算法不断更新检测到的噪声的轮廓。它可以缩放各个频段的信号，放大语音和静音噪声。

Microchip在噪声抑制库中提供算法。该算法以汇编语言编码以获得最大性能，但高级语言应用程序代码可以通过应用程序编程接口（API）访问这些函数。

声学回声消除

回声消除是另一种方便的算法，可以提高音频质量，尤其是在有线或无线通信链路上（图2）。当麦克风和扬声器彼此靠近时，从扬声器到麦克风的信号传播到通信链路的另一端，产生最多会分散注意力的回声，并且最坏的情况是使链路无用。

图2：回声消除依赖于时域有限脉冲响应（FIR）滤波器来消除通过通信链路传播的语音中的回声。

Microchip提供声学回声消除库，以消除回声现象。时域算法依赖于自适应有限脉冲响应（FIR）滤波器，该滤波器应用于来自通信链路远端的音频。滤波器系数提供此自适应能力，并使用归一化最小均方（NLMS）算法进行设置。该算法确保滤波器紧密地模拟实际声学路径。此外，非线性处理器算法消除了残余回声。

与噪声抑制算法类似，声学回声消除库采用汇编语言编码，可以在dsPIC处理器上实时处理数据。它提供大于40 dB的消除，并使用8 kHz采样率。它还与通常用于汽车免提应用的G.167 ITU标准兼容。

Microchip提供了几个额外的以音频为中心的库。例如，符合ITU G.168标准的线路回声消除库以电话系统为目标。基于GUI的语音和音频快进工具可与其他库（如噪声抑制库）配合使用，以允许调整应用程序。自动增益控制库可轻松调整音频电平。

数字信号控制器

现在我们将讨论您可能在音频应用中使用的处理器类型。如上所述，Microchip库是为公司的dsPIC DSC设计的。 DSC本质上只是一个增加了数学硬件以支持以DSP为中心的应用的MCU。与典型的MCU一样，这些IC仍然集成了存储器和各种外设。

Microchip实际上是第一个使用DSC的术语，尽管现在几乎每个MCU供应商都有这样的产品。 Microchip提供的产品包括dsPIC30F和dsPIC33F/E系列。所有产品都包括单周期硬件MAC（乘法器累加器） - 具体来说，是一个16x16位乘法器和一个40位累加器。 DSC还包括一个桶形移位器，可以在一个周期内移位任意数量的位。桶形移位器和MAC一起实现了以DSP为中心的算法的实时执行。图3中的框图描述了dsPIC30F架构。

图3：dsPIC30F DSC包括一个16x16位乘法器和40位累加器，以及一个桶形移位器，用于实现以DSP为中心的应用。

选择DSPIC系列的成员添加在音频和语音应用中特别方便的外设。例如，dsPIC33FJ128GP804 DSC包含一个16位双通道数模转换器（DAC），可用于输出音频。此外，DSC还包括一个10位模数转换器（ADC），支持多达13个音频输入通道。 ADC每秒可捕获超过一百万个样本。 40 MIPS处理器提供了实现应用程序代码和音频算法的性能余量。

DSC开发板

想要尝试dsPIC技术的设计团队有许多可供选择的开发板。  Microchip DM24001-ND dsPIC Explorer板包含dsPIC33FL256GP710 DSC，Microchip DM24002-ND dsPIC Explorer板包含dsPIC33FJ32GP204 DSC。两者都配有16位PIC MCU。

Explorer板是一般实验的理想选择，但Microchip还提供针对特定应用的夹层PICtail板，可与基本Explorer板一起使用。音频PICtail plus开发板包括一个16/24位编解码器，一个耳机放大器，以及具有可调增益的麦克风和线路输入。语音PICtail开发板支持自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）。