基于DSP的語音處理教學(xué)實驗平臺設(shè)計

于永江，王 菲

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院電工電子實驗教學(xué)中心，吉林長春，130012）

基于DSP的語音處理教學(xué)實驗平臺設(shè)計

于永江，王 菲

（吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院電工電子實驗教學(xué)中心，吉林長春，130012）

為了幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)DSP實驗教學(xué)中語音處理這一教學(xué)難點，文中介紹了一種基TMS320C5402的通用語音處理教學(xué)實驗平臺，以配合理論和實驗教學(xué)。該系統(tǒng)采用TI的TMS320C5402作為處理器，選用TLC320AD50 作為語音模塊，實現(xiàn)對語音信號實時快速處理。

語音處理；DSP；濾波

0　引言

語音信號處理包括了語音編碼、語音合成、語音識別和語音增強等，這些技術(shù)是信息高速公路、多媒體技術(shù)、數(shù)字通信等新興領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一。語音信號處理數(shù)據(jù)運算量大且需要實時高效處理，而DSP的高速數(shù)字信號處理能力可以滿足這一要求?；诖?，文章提出了一種基于DSP的語音處理實驗教學(xué)平臺，完成語音信號各種處理功能。在日常實驗教學(xué)中，多采用試驗箱或者實驗板來完成DSP實驗，內(nèi)容固定，影響了學(xué)生學(xué)習(xí)效果及動手能力的提高。針對以上問題，本文提出了一種基于TMS320C5402的語音信號處理的低成本解決方案，同時讓學(xué)生參與、完成實驗教學(xué)平臺的制作完成，提高了學(xué)生動手能力，加深了理解，提高了學(xué)習(xí)效果，同時還可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。

1　語音處理系統(tǒng)硬件設(shè)計

文章采用TI公司的DSP芯片TMS320C5402作為主處理器，完成語音信號處理算法的實現(xiàn)并控制整個系統(tǒng)運行，音頻編解碼芯片選用專門的語音CODEC芯片TLC320AD50設(shè)計了語音處理系統(tǒng)平臺?；贒SP的語音處理系統(tǒng)由DSP、音頻 CODEC模塊 、存儲器擴展模塊、電源管理、人機接口等組成［2］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

輸入的模擬語音信號經(jīng)過放大以后，進行電平移位變換為兩個差分信號，差分信號經(jīng)抗混疊濾波以后進行A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換輸出采樣的數(shù)字語音數(shù)據(jù)通過多通道緩沖串行口McBSP送入DSP芯片，DSP芯片根據(jù)需要，按照特定的數(shù)據(jù)處理算法對語音信息進行各種信號處理，存儲到數(shù)據(jù)SRAM，或者輸出至CODEC芯片，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換后的差動信號差動放大后再經(jīng)過低通濾波以去除高頻噪聲，放大后輸出模擬語音信號。也可以根據(jù)語音信息來實現(xiàn)一定的控制功能，如聲紋鎖等。下面具體介紹該語音處理實驗平臺的硬件模塊。

1.1音頻CODEC模塊

語音編解碼芯片采用TI公司的TLC320AD50C采集語音信號。TLC320AD50C內(nèi)部集成有16位A/D和D/A 轉(zhuǎn)換器，采用過采樣sigma-delta技術(shù)，低系統(tǒng)成本下實現(xiàn)高精度語音信號的A/D 轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，減少了硬件設(shè)計成本。TLC320AD50C輸出的抽樣形式的數(shù)字化語言信號傳輸給DSP，可以只用一個緩沖串口來同時現(xiàn)實數(shù)據(jù)的采集和輸出， 可以與TI的DSP處理器無縫連接，不需要其他硬件連接電路，節(jié)省了硬件開銷，降低了使用成本，因此DSP與音頻芯片TLC320AD50C的連接使用在音頻信號處理中得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2DSP模塊

語音處理實驗教學(xué)平臺的DSP采用美國TI公司的一致性定點DSP芯片TMS320VC5402。TMS320VC5402運算速度快（指令周期為10 ns），性能強、成本低、功耗低且通用性較強，廣泛應(yīng)用于語音處理、無線通信系統(tǒng)等信號處理平臺。TMS320VC5402具有高性能的改進哈佛總線結(jié)構(gòu)，帶有專用硬件邏輯，一個 17 ×17 bit的并行乘法器和一個40 bit加法器相結(jié)合完成乘法-累加操作；有片內(nèi)存儲器（4K×16 bit ROM，16K×16 bit RAM）且可擴展存儲，且提供了強大的片內(nèi)外圍電路，兩個多通道緩沖串行口，一個與外部處理器通信的HPI接口，用于多處理器協(xié)調(diào)工作。

1.3存儲器擴展模塊

數(shù)字語音信號數(shù)據(jù)量大，存儲語音信號時需要較大的存儲空間，DSP片內(nèi)存儲資源有限，為了提高語音存儲能力，實現(xiàn)較長時間數(shù)字錄音，本實驗教學(xué)平臺采用片外存儲芯片在硬件上對存儲空間進行了擴展。本實驗教學(xué)平臺存儲器接口芯片采用ISSI公司的IS61LV25616AL異步靜態(tài)存儲器SRAM作為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器擴展存儲，分別映射到相應(yīng)地址的程序空間和數(shù)據(jù)空間。實驗平臺還擴展了固化程序的非易失性存儲器E2PROM。系統(tǒng)復(fù)位后，DSP 首先從外圍并行程序加載存儲器E2PROM中引導(dǎo)裝入執(zhí)行程序，程序?qū)?DSP及TLC320AD50C CODEC芯片等外圍設(shè)備進行初始化。除此以外，在軟件部分，還可以采用語音壓縮技術(shù)，在軟件上采用高效能的算法對語音信號進行壓縮，提高存儲語音的能力。

1.4電源管理

電源管理包括電源轉(zhuǎn)換和電平轉(zhuǎn)換。數(shù)字信號處理器內(nèi)部采用3.3V和1.8V供電，需要把5V輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V和1.8V，為處理器供電，采用雙路輸出低壓差電壓調(diào)整器TPS767D301芯片實現(xiàn)DSP的電源設(shè)計，完成電源轉(zhuǎn)換。該DSP系統(tǒng)是混合電壓系統(tǒng)，存在5V/3.3V/1.8混合供電系統(tǒng)，不能將DSP輸出端口直接和5V外圍擴展器件直接相連，必須進行電平轉(zhuǎn)換和信號隔離，實驗平臺采用德州儀器的16位總線收發(fā)器SN74LVCH16T245進行電平匹配和信號隔離。

1.5人機接口模塊

DSP不具備人機界面，為了提高該實驗教學(xué)平臺的教學(xué)和實訓(xùn)效果，讓學(xué)生有更直觀的理解，便于觀察運行結(jié)果和傳遞必要的控制信息，學(xué)生可以在系統(tǒng)加入LCD接口、鍵盤接口以及LED數(shù)碼管進行人機對話。通過液晶顯示，利用按鍵來輸入和選擇需要實現(xiàn)的功能。實驗中，把LCD映射到DSP芯片的I/O空間， DSP芯片通過訪問I/O，實現(xiàn)LCD顯示。同樣的，也把鍵盤映射到DSP的I/O空間，DSP通過訪問自己的IO空間，實現(xiàn)對鍵盤的控制，循環(huán)對鍵盤掃描，實現(xiàn)按鍵和鍵值識別。通過CCS在規(guī)定的單元可觀察被按下鍵的鍵值。學(xué)生在項目中還可以根據(jù)自己興趣和需要，采用不同的LCD接口方式和鍵盤控制方案。

2　語音處理平臺實驗項目設(shè)計

傳統(tǒng)數(shù)字信號處理著重數(shù)字信號處理算法研究和實現(xiàn)，在DSP理論和實驗教學(xué)中，耗時長且影響學(xué)生實際學(xué)習(xí)效果。本課程采取項目與教學(xué)相長的項目式實驗教學(xué)方案，學(xué)生首先要完成基于DSP的語音處理實驗平臺的制作，接下來要完成DSP和CODEC芯片初始化，設(shè)置DSP中斷，語音數(shù)據(jù)存儲等工作，還要進行語音信號的壓縮、存儲、濾波等算法的完成，提高了學(xué)生動手能力，培養(yǎng)學(xué)生扎實的功底。

2.1硬件平臺的搭建實驗

要求學(xué)生在掌握DSP語音處理系統(tǒng)的接口及外圍電路的基礎(chǔ)上，完成電路圖的繪制、PCB版的制作以及后期器件的焊接、調(diào)試等工作，分組完成語音處理平臺的硬件制作，為接下來算法實驗做準(zhǔn)備。實驗項目要求學(xué)生掌握ADC/DAC的性能，掌握TLV320AD50的接口及與DSP的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，學(xué)習(xí)掌握完整的語音數(shù)據(jù)輸入、輸出的設(shè)計。

2.2語音信號處理算法實驗

課程要求學(xué)生在分組完成硬件平臺的搭建以后，對系統(tǒng)的軟硬件進行測試和仿真。測試通過以后，學(xué)生基于DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS，對語音信號采集、處理、存儲和數(shù)據(jù)傳輸進行設(shè)計和實現(xiàn)。學(xué)生要了解并掌握語音信號的采集、回放及濾波處理，掌握語音信號的各種處理算法，加深對數(shù)字信號處理的深入理解和掌握。算法實驗中，學(xué)生要掌握語音信號壓縮和壓縮方法，學(xué)習(xí)和掌握濾波器的設(shè)計原理和方法等，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以學(xué)習(xí)研究語音增強、語音識別、語音分析的算法。

該語音該系統(tǒng)采用模塊化分離式結(jié)構(gòu)，使用靈活方便用戶二次開發(fā)。該語音處理平臺還可作為小詞匯語音控制、連續(xù)數(shù)字識別、分布式語音識別、語音增強 、語音合成等的平臺設(shè)計參考，需要學(xué)生在實驗中積極探索和學(xué)習(xí)。

3　結(jié)束語

文章采用TMS320C5402作為處理器，用TLC320AD50作為語音codec芯片設(shè)計了語音處理系統(tǒng)平臺，具有較好的通用性和可擴展性。在系統(tǒng)軟硬件平臺搭建完成的基礎(chǔ)上， 進行系統(tǒng)集成和系統(tǒng)功能測試。實驗結(jié)果表明，在此系統(tǒng)上可較為靈活地實現(xiàn)預(yù)定語音處理算法，具有較好的實際效果。文章設(shè)計的語音處理系統(tǒng)平臺簡單高效實用，加深了學(xué)生對語音信號處理和運算的理解和掌握，有效提高了學(xué)生動手能力和創(chuàng)新意識，具有一定的實用、教學(xué)價值和參考意義。

于永江（1982.4-）男，河南省西平縣，博士，工程師，研究方向：信號檢測與處理，傳感器，單位：吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院電工電子實驗教學(xué)中心。

王菲（1983.6-）女，吉林省長春市，碩士，工程師研究方向：嵌入式系統(tǒng)，單位：吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院電工電子實驗教學(xué)中心。

Design of teaching experiment platform of speech processing based on DSP

Yu Yongjiang，Wang Fei
（College of Electronic Science and engineering，Jilin University，Jilin Changchun，130012）

In order to help students to learn the teaching of speech processing in DSP experimental teaching，this paper introduces a TMS320C5402 based universal voice processing teaching experimental platform，in order to cooperate with the theoretical and experimental teaching.The system uses TMS320C5402 TI as the processor，using TLC320AD50 as the voice module，to achieve real-time voice signal processing.

speech processing；DSP；filter

圖 1 系統(tǒng)總體框圖

蔣永生，張雄偉，曾宏輝.一種基于DSP的語音處理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計［J］.電力系統(tǒng)通信.2007，28（181）：56-65