基于DSP的数字语音压缩系统

一 6一 《国外电子元器~)2007年第8期 2007年 8月 ●应 用 与 设 4-1- 基亏DSP的数字语音压缩系统 俞 斌 (湖南工学院 电气信 息工程 系，湖南 衡 阳，421008) 摘要 ：给 出了基 于TMS320C6711 DSP和 G．729A语音压缩 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的实时语音压缩和解压 系统的设计 方案．并给 出了系统的软、硬件设计。在 TMS320C6711高速平 台上 实现数 字语音信号的实时输入、 压缩、解压、输出，只需要移植应用程序 ，就可以实现其他语音功能的扩展 。 关 键 词 ：DSP；语音压缩 ；码本激励线性预测(CELP)；TM$320C6711 中图分类号：TN912．3 文献标识码：A 文章编号：1006—6977(2007)08—0006—04 System of digital speech compression based on DSP YU Bin (Department ofElectric and Information Engineering,Human Institnte ofTechnology,Hengyang 421008,China) Abstract：The design project of real-time speech coding and decoding system based on TMS320C67 1 1 and G．729A ale introduced，and the software and hardware of design process are given．At the high- speed platform based on TMS320C67 1 1 DSP， realization of digital speech sign als for real-time input， coding，decoding and output is discussed．After the tran splan tion of application procedure，other speech functions expansion Can also implemented． Key words：DSP； speech compression； CELP； TMS320C67 1 1 l 引言 在通信应用领域中，压缩语音信号的传输带宽 或降低电话信道的传输码率，一直是设计人员追求 的目标。语音编码在实现这一目标的过程中担当着 重要的角色 ，语音编码是压缩语音信号的数字表 示，而且是这些信号所需比特数最小的算法。可以 说，语音压缩技术的发展和人类信息技术的发展息 息相关。因此 ．对语音压缩技术 的研究具有重要 的 现实意义。 如何在实际系统中实现语音压缩 ，这是一个 重要的研究领域。目前，PC上的实时语音压缩技 术已经较为成熟 ，而嵌入式系统领域的语音压缩 技术还有待发展和完善。由于大多数高质量、低码 率的语音压缩算法有较为复杂的数据运算 ．所以 传统的单片机已经不能胜任 ，必须采用更高性能 200 3． [2]Xilinx，Inc．Spartan3E FPGA family Data Sheet[DB／ OLI．http：／／direct．xilinx．com／bvdocs／publications／ds 312．pdf,2006． [3】Xilinx，Inc．Using a Microprocessor to Configure Xilinx，FPGAs[DB／OL]．http：／／direct．xilinx．com]bv docs／appnotes／xapp502．pal,2002． [4]Xilinx，Inc．The low-cost efficient Serial confignra— tion of FPGAs[DB／OL]．http：／／direct．xilinx．com]bv docs／appnotes／xapp098．pdf,1998． [5】田 泽．嵌入式系统开发与运用[M】．北京：北京航 空 航天大学出版社，2005． [6】陈 赜．ARM嵌入式实验教程(基础篇)[M】．武汉 创维特公司，2003． [7】胡修林，席向清，张蕴玉．嵌入式系统中FPGA的 被动 串行配置 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 [J】．单片机及嵌入 式应用，2004 (3)：21—31． 收稿 日期 ：2O07—03—19 咨询编号 ：070801 维普资讯 http://www.cqvip.com 基 于 DsP的数字语音压缩 系统 一7一 的处理器，而专门为数字信号处理设计的数字信 号处理器(DSP)为语音压缩的实现提供了一个很 好的平 台。 2 语音压缩编码方案选择 在评价一个语音压缩编码方案时．一般从质 量、速率、复杂度和延时四个方面考虑。目前 IrrU—U 已经制定 G系列标准 ，如表 l所示 。 本数字语音压缩系统需要一种低码率、高语音 质量、低时延、较低算法复杂度的压缩设计方案。从 表 l所列可以看出．从低码率方面排除了 G．7l1、G． 721、G．722、G．723。而 G．726在 16 Kb／s速率 下 ，速 率为，语音质量为 2．0，显然是不能接受的。在余下 的 G．723．1、G．729、G．729A 中 ，G．723．1的算法 复杂 度较大，而且时延较长，所以被排除。在剩余的 G． 729和 G．729A中，在算法复杂度方面，G．729A则有 着较大优势。实际上，G．729A是 G．729的简化版本． 在语音质量基本维持不变的情况下，算法简化了很 多。所以本系统最终决定选用 G．729A算法。 3 G．729A 算法概述 在 1996年 6月的 ITU—T SG15末次会议上通 过了 G．729的附件 A “减少复杂度的 8 Kb，s CS— ACELP语音编码器”．该编码方案是 电话带宽的语 音信号编码标准，对输入语音性质的模拟信号采用 8 kHz采样 ，16 bit线性 PCM 量化 。CS—ACELP是 基于码本激励线性预测 (CELP)的编码模式 ．每 80 个样点 为一语音 帧 ，分析并提取各种参数 (线性 预 测滤波器系数 、自适应码本 和固定码本 中码本序 号、自适应码矢量增益和固定码矢量增益)．并发送 这些参数编码。在解码端，把接收到的比特流恢复 成参数编码 ，解码后得到各个参数，用自适应码矢 序号从自适应码本中得到自适应码矢，用固定码矢 序号从固定码本中得到固定码矢，分别乘以它们的 增益，按点相加后构成激励序列。用线性预测滤波 器系数构成合成滤波器，用自适应码本方法实现长 时或基音合成滤波 ，计算出合成语音后，用后置滤 波器进一步增强音质。G．729A算法编码器原理框图 如图 1所示 固定 码本 自适应 码本 一 j基音分析 =二[二 固定码本搜 LPC 息．~ i 知觉加权 参数编码 。 LPC信息一一 图 1 G．729A算法编码器原理框图 4 硬件系统设计 + 4．1 系统总体框图 本系统是以 TMS320C6711为核心 ．外部扩展 l6 MB SDRAM 和 2 MB Flash。DSP仿真器用于 DSP的在线调试开发，可以通过软件在线控制 DSP 的运行状态，并能够查看 DSP内部寄存器。PC机是 开发人员和 DSP系统之间的交互界面 ．通过 PC机 上安装的 CCS fCode Composer Studio)集成开发环 境，开发人员可以在友好的图形界面下对 目标系统 进行操作。系统总体框图如图2所示。 表 1 不同压缩算法特性 标准 编码类型 制定时间 比特率(kb／s) M0S 复杂性(MIPS) 时延(ms) G．711 PCM 1972 64 4．5 1 0．125 G．721 ADPCM 1984 32 4．3 l_5 0．125 G．722 SB—ADPCM 1988 64／56／48 4．3 10 1．5 G．723 ADPCM 1988 24／40 4．3 4．0 0．125 G．726 VBR—ADPCM 1988 40／32／24／16 4．2—2．0 3．0 0．125 G．728 LD—CELP 1994 16 4．0 50 0．625 G．723．1 ACEI 1996 5．3／6．3 3．8 25 30 G．729 CS—ACEI 1996 8 4．0 30 10 G．729A CS—ACELP 1996 8 3．9 l8 10 维普资讯 http://www.cqvip.com 一 8一 《国外电子元器件>20o7年第 8期 2007年 8月 Pc机 仿真器H JTAG接口I l复位电路 麦克风 扬声器 图 2 系统总体框 图 4．2 模拟电路接 口设计 TLV320AIC10模拟电路设计包括 Micophone 接 口设计和扬声器接口设计，由于 TLV32OAIC1O 输出具有 600 Q驱动能力 ．足够驱动一个耳机 ，也 可以经过一个功率放大器驱动扬声器，所以输出电 路较为简单。TLV320AIC1O内置运算放大器电路， 可方便地与 Microphone接 VI，接 VI电路如图 3所 示。应注意的是，VMID引脚最大输 出电流为 5 mA， 为了防止输出电流超过限制，应当串联一只起保护 作用的电位器 。 由 TLV320AIC10向TMS320C671 1提供串行通信频 率 SCLK。MCLK提供 TLV320AIC10的工作频率， 包括串行通信频率 SCLK和采样频率 ． 。 串行通信 频率为 MCLK的二分频， 与 MCLK之间的数学关 系如下 ： =MCLK／(256 X N=1，2⋯ 32 其中，N=4 8 000，故 MCLK=8．19 MHz。 5 软件系统设计 本系统实现 目标是能够实时输入语音、压缩 ， 并能将接收到的 G．729A编码解压播放。事实上， DSP要同时处理多个任务：从外部语音电路获取采 集数据、编码、解码，将解码后的数据送到外部语音 电路播放。本系统采用 TI BIOS嵌入式实时操作系 统．并在此基础上开发了硬件驱动程序和上层应用 程序 ，最后测试 了实现结果 。 本系统软件结构如图 5所示 。 图 3 模拟 电路接 口 4．3 数字电路接 口设计 TLv320AIC10支持与 Ⅱ5000、TI6000系列的 无缝接 口。TLV320AIC10可 以通 过 McBSP接 口与 TMS32OC6711 DSP相连接 ，如图 4所示 。需要注意 的是，TLV320AIC10采用主机模式 (Master Mode)。 FSX FSR CLKX CLKR DTx DRx CLKOUT 11．V320AIC1O f] - I SCLK I DIN DoUT MCLKl 8．19MHz 图 4 数字 电路接 口 6 实验结果 图 6(a)和(b)分别是从系统中任 意抽取的一帧语音的原始数据和重建 数据，并用 CCS图形调试工具显示出 来。 从图 6可以看 出。波形的基本趋 势是相同的 ，但是语音 幅度有所减小 。 图7(a)和(b)分别是原始数据和重建 数据加 Haming窗后的 FFT分析。 swiecho SWI—andn1 SWI—andn2 PIP_ -rrge 1 衄 ： 广 rxPip卜_J L— txPip卜] ； 甚 7 结束语 本文对基于 DSP的 G．729A语音压缩算法进 行了严格的测试 ，测试结果表明：该算法已通过了 ITU—T的测试向量，达到了 ITU—T标准：本编码算 法对于时 间长度为 10 ms的一 帧语音数 据编码需 要 1．1 ms，解码需 O．29 ms，完全可在 TMS320C6711 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于 DSP的数 字语音压缩系统 -9- (a)原始波形 图 6 实验波形 (a)原始波形FFT分析 (b)重建波形 图7 波形的FFr分析 处理器上实时实现多路语音编解码。该 DSP语音压 缩模块可以广泛应用于数字语音 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 、VoIP、电话 会议、数字广播等多种领域。 参考文献 ： 【1】李方慧，王 飞，何佩琨．TMS320C6000系列 DSPs 的原理与应用(第二版)【M】．北京：电子工业出版 社．2oo3． [2】鲍长春．低比特率数字语音编码基础【M】．北京： 北京工业大学出版社．2oo3． 【3】rI1J．Recommendation G．729．Coding of speech at 8 kb／s using Conjugate-Structure Algebrmc Code- Excited-Linear-Prediction(CS-ACELP)【C】．I rU— T，1996． f4】许丽红 ，余小清 ，万旺根．G．729 CS—ACELP语音 编码算法的优化及其 DSP实现【J】．上海大学学报 (b)重建波形FFT分析 (自然科学版)，2001(2)：13-17． 【51张瑞锋．基于DSP的 G．729语音编解码器的设计 【J】．电子技术，2003(9)：33-35． [6】黄海波，蒋伟荣，程登良．通用语音处理系统的 DSP实现【J】．微计算机信息，2006(5)：173—175． 作者简介：俞 斌(1979一)，男，汉族 ，江苏扬州人，讲 师，主要研究方向：通信技术和 DSP技术。 收稿 日期：2007—03—14 咨询编号：070802 L L． L — L ‘IL L—址 k．- ； 欢迎订阅 欢迎咨询 l k．- ； 《国外电孑老器 》 圭 ； 3| 1。H — 广 1哼—竹— 竹 1咔．1中 1 1 —州-一 r1 竹 竹 竹 竹 1 1 维普资讯 http://www.cqvip.com