基于DSP的實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李英華

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷革新，我國(guó)的通信行業(yè)也得到了蓬勃的發(fā)展，在這種大背景下，通信技術(shù)必須進(jìn)行不斷的更新?lián)Q代才能滿足時(shí)代的發(fā)展，這就要求從事通信專業(yè)的人員不僅要很好地掌握通信知識(shí)，更要有良好的創(chuàng)新能力，要充分開拓思維，不斷學(xué)習(xí)新知識(shí)，為我國(guó)通信事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DSP的實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】DSP 實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)

信源是現(xiàn)代通信中最重要的組成之一，如果不做任何處理直接通過信道傳輸，就會(huì)因大量的冗余成分而給寬帶造成非常大的浪費(fèi)。因此，在傳輸前必須要對(duì)信源進(jìn)行壓縮處理，也就是信源編碼。由于語音信號(hào)是模擬信號(hào)，所以在現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)使用前要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后壓縮處理進(jìn)行儲(chǔ)存或者傳輸。處理后的語音信號(hào)傳輸?shù)浇邮斩?，再進(jìn)行解壓處理，然后將數(shù)字化信息還原成原始的模擬信號(hào)，整個(gè)過程就是實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼技術(shù)。目前通用的語音編解碼技術(shù)有波形編碼、參數(shù)編碼以及混合編碼三。

1 實(shí)時(shí)語音編解碼系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

文章設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼系統(tǒng)基于DSP芯片的一路話音編譯碼器，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

硬件系統(tǒng)由DSP系統(tǒng)模塊、音頻接口模塊、USB接口模塊、外圍存儲(chǔ)器擴(kuò)展及地址譯碼CPLD模塊、電源及復(fù)位電路模塊等組成。

其工作過程為：首先通過音頻接口芯片將模擬語音信號(hào)數(shù)字化，轉(zhuǎn)換成8KHz，采樣精度為16位的數(shù)字信號(hào)，然后通過McBSPO傳送到DSP內(nèi)部緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)達(dá)到一定幀長(zhǎng)后，編碼算法就會(huì)將數(shù)字信號(hào)編成碼流，碼流通過數(shù)字接口輸送到信道，信道會(huì)進(jìn)行二次編碼后傳輸。同時(shí)，碼流通過信道到達(dá)DSP后，在DSP內(nèi)部接收緩沖區(qū)進(jìn)行解碼處理，然后傳送給數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字化的語音信息轉(zhuǎn)換成原始的模擬語音信號(hào)，然后輸出。

1.2 各功能模塊的硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 DSP系統(tǒng)模塊

本系統(tǒng)的核心是DSP，語音壓縮算法的實(shí)現(xiàn)以及控制外圍器件都要靠DSP來進(jìn)行，因此，DSP芯片的選擇至關(guān)重要。

DSP具有高速運(yùn)算能力，并且芯片上的資源和接口非常豐富，能夠進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法，是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音編解碼系統(tǒng)的最佳選擇。一般情況下，語音壓縮編碼對(duì)DSP有一些要求，如工作頻率、儲(chǔ)存空間大小等等；此外，還需要多個(gè)雙向同步串口，來實(shí)現(xiàn)語音以及碼流的輸入輸出。綜合考慮，文章選用的芯片是TI公司TMS320VC54x系列中的TMS320VC5416（簡(jiǎn)稱VC5416）。

1.2.2 DSP模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)中的模塊包括DSP的核電壓1.6V以及I/O電壓3.3V供電管腳，以管腳CLKMD 1-3作為時(shí)鐘模式，引腳MP/MC為微處理器/微計(jì)算機(jī)模式，復(fù)位引腳RS，JTAG部分用來硬件實(shí)時(shí)仿真和調(diào)試，還有中斷引腳以及晶振等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠通過跳線設(shè)置DSP的工作和時(shí)鐘模式，DSP的外部時(shí)鐘源由晶振電路提供。 DSP的時(shí)鐘供給方式有兩種，一種是以內(nèi)部振蕩器經(jīng)過倍頻的方式；另一種是依靠外部有源晶振提供。以管腳CLKMD 1-3跳線選擇使用時(shí)鐘供給的方式。由于芯片內(nèi)部的邏輯電路會(huì)受到內(nèi)部振蕩器的影響，所以通常選擇外部晶振的時(shí)鐘供給方式。

JTAG 是標(biāo)準(zhǔn)的仿真接口，可為DSP芯片完成CCS鏈接可硬件電路提供渠道，從而實(shí)現(xiàn)程序下載以及在線調(diào)試。JTAG接口包含5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)引腳和2個(gè)仿真信號(hào)引腳。信號(hào)緩沖必須準(zhǔn)確無誤，以便硬件仿真器和DSP系統(tǒng)能夠接收高質(zhì)量的信號(hào)，所以仿真信號(hào)引腳必須滿足提供小于10us的信號(hào)上升時(shí)間。

1.2.3 音頻接口模塊設(shè)計(jì)

音頻接口模塊的任務(wù)是進(jìn)行音頻信號(hào)采集、濾波和合成語音信號(hào)的轉(zhuǎn)換以及放大和回放。系統(tǒng)對(duì)其采樣頻率、精度以及實(shí)時(shí)性都提出了較高要求。本次設(shè)計(jì)選用了Codec芯片TLV320AIC23（簡(jiǎn)稱AIC23），不僅能夠滿足系統(tǒng)要求，價(jià)格也比較便宜，其與DSP硬件連接原理見圖2。

1.2.4 USB接口模塊設(shè)計(jì)

由于DSP工作頻率較高，數(shù)據(jù)讀寫周期非常短，串口與PC機(jī)進(jìn)行通信的傳輸速率較低，不能滿足實(shí)時(shí)控制的目的，而USB接口模塊能夠?qū)崿F(xiàn)PC機(jī)和DSP之間的高速實(shí)時(shí)通信，達(dá)到實(shí)時(shí)控制DSP的目的。

2 實(shí)時(shí)語音編解碼系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 音頻接口模塊軟件設(shè)計(jì)

音頻接口模塊的數(shù)字以及控制接口分別通過多通道緩沖串口連接到DSP，多通道緩沖串口的寄存器較多而且配置復(fù)雜，寄存器的訪問通常選擇子尋址方式。每個(gè)多通道緩沖串口都有15個(gè)寄存器一起占用DSP芯片的一個(gè)地址單元。子地址寄存器通過子數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)讀取和寫到子地址寄存器指定的寄存器中。本設(shè)計(jì)在本著程序簡(jiǎn)潔的目的，寄存器的配置采用函數(shù)MCBSPx_SET來實(shí)現(xiàn)，僅僅能夠通過調(diào)用該函數(shù)就能夠進(jìn)行寄存器配置，同時(shí)還能提供寄存器的子地址以及配置值。

音頻接口模塊的初始化包括麥克輸入初始化以及線路輸入初始化，DSP芯片能夠通過控制接口將配置值寫入音頻接口模塊內(nèi)部，完成初始化。

2.2 USB接口模塊軟件設(shè)計(jì)

USB接口模塊的驅(qū)動(dòng)由其固件程序進(jìn)行，其初始化、請(qǐng)求處理、重列舉和電源管理等都靠此來實(shí)現(xiàn)。固件程序包括主文件、外設(shè)功能文件、描述符文件、提供中斷服務(wù)向量跳轉(zhuǎn)表文件等等。外設(shè)功能文件和描述符文件的代碼在設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)需要進(jìn)行修改和添加，使USB設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)某些特定功能。將設(shè)備初始化代碼添加到初始化函數(shù)中，為框架初始化做準(zhǔn)備，將功能代碼添加到重復(fù)調(diào)度函數(shù)中，完成主機(jī)對(duì)設(shè)備的配置。

3 實(shí)時(shí)語音編解碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 語音通信的實(shí)現(xiàn)及效果

DSP通過MIC或者Line in采集到的語音信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，然后通過數(shù)字接口進(jìn)行發(fā)送或者接收，經(jīng)由耳機(jī)或者聲音播放設(shè)備播放。通過相關(guān)的語音處理，MIC或者Line in采集到的語音聲效比較好。由DSP芯片組成一個(gè)完整的語音識(shí)別系統(tǒng)。除此之外，為了有一個(gè)好的人機(jī)界面和識(shí)別正確與否的驗(yàn)證，該系統(tǒng)還必須具備語音提示（語音合成）及語音回放（語音編解碼記錄）功能。多為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，即當(dāng)用戶說完待識(shí)別的詞條后，系統(tǒng)立即完成識(shí)別功能并有所回應(yīng)，這就對(duì)電路的運(yùn)算速度有較高的要求。除了要求有盡可能好的識(shí)別性能外，還要求體積盡可能小、可靠性高、耗電省、價(jià)錢低等特點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)及社會(huì)效應(yīng)

數(shù)據(jù)通信能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)文件傳輸或者少量數(shù)據(jù)測(cè)試通信，并進(jìn)行正確性的讀回驗(yàn)證。DSP將數(shù)據(jù)通過數(shù)字接口以64kbps的速率發(fā)送出去，發(fā)送的同時(shí)會(huì)將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩沖區(qū)，由PC機(jī)進(jìn)行讀取驗(yàn)證。在數(shù)字信道中，比特率是數(shù)字信號(hào)的傳輸速率用單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)亩M(jìn)制代碼的有效位（bit）數(shù)來表示，其單位為每秒比特?cái)?shù)bit/s（bps）、每秒千比特?cái)?shù)（Kbps）或每秒兆比特?cái)?shù)（Mbps）來表示（此處K和M分別為1000和1000000，而不是涉及計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器容量時(shí)的1024和1048576）。

4 結(jié)束語

隨著電子通信技術(shù)的不斷發(fā)展，語音信號(hào)處理技術(shù)也在不斷進(jìn)步，特別是語音壓縮編解碼技術(shù)，DSP作為一種高速數(shù)字信號(hào)處理器，在語音編解碼領(lǐng)域有著至關(guān)重要的作用。文章就基于DSP的實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼系統(tǒng)進(jìn)行的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究討論，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于DSP的實(shí)時(shí)語音壓縮編解碼系統(tǒng)性能穩(wěn)定，且能很好地完成語音壓縮編碼以及碼流的傳輸處理，使得語音質(zhì)量差的問題得到解決；同時(shí)，由于設(shè)計(jì)中采用了傳輸速率更高的USB接口，實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)和DSP之間的高速實(shí)時(shí)通信，達(dá)到實(shí)時(shí)控制DSP的目的。

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作者單位

鄭州工商學(xué)院 河南省鄭州市 451400