dsp数字信号处理课程设计报告语音压缩与回放.doc

DSP技术与应用课程设计报告选题名称: 语音压缩与回放 系（院）: 计算机工程学院专 业:计算机科学与技术（嵌入式系统软件设计）班 级: 计算机1073 姓 名: 学 号: 1 指导教师: 学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期2010年 6 月 11 日摘要： 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。随着超大规模集成电路 (VL S I)工艺的进步 ,高速数字信号处理器 (DSP)技术的飞速发展以及先进开发工具的完备 ,使得复杂的语音编解码算法在以高性 能微处理器为核心的硬件系统上实时实现成为可 能 。本文介绍了一种基于目前性能价格比较高的16位定点 DSP芯片 TMS320VC54X的语音压缩处理系统 , 可以直接作为会议电视 、PSTN 可视电话、IP 网络多媒体通信、远程医疗系统终端设备中声音信源编码解码器系统。关键词：语音压缩；语音编码；DSP目录1课题综述11.1 课题来源11.2 预期目标11.3 面对的问题12 系统设计及分析22.1 涉及的基础知识22.2 实验方案42.3 程序流程图53 程序代码63.1 头文件定义63.2 主函数73.3 a律压缩子函数123.4 a律解压缩子函数133.5 延时子函数143.6 5402.cmd文件144 程序运行与调试174.1 实验结果17总 结19参考文献201课题综述1.1 课题来源 数字化语音存储与回放系统，以微处理芯片为核心，具有语音可控、 回放灵活、无磨损、可靠简单等特点。因而在各类公共设施、智能仪表、家用电子产品等领域有着广泛的应用。该系统目前有多种方案可以实现，其中采集成语音芯片是一种较简单通用的方案，但该方案智能性较差，如音量不能放大、录音时间固定等。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。1.2 预期目标 （1）使用DSP实现语音压缩和解压缩的基本算法，算法类型自定，例如可以采用G.711、G.729等语音压缩算法。（2）采用A/D转换器从MIC输入口实时采集语音信号，进行压缩后存储到DSP的片内和片外RAM存储器中，存储时间不小于10秒。（3）存储器存满之后，使用DSP进行实时解压缩，并从SPEAKER输出口进行回放输出。（4）使用指示灯对语音存储和回放过程进行指示。发挥部分：使用多种算法进行语音的压缩、存储和解压缩，比较它们之间的优缺点。1.3 面对的问题基于TMS320C54X为核心的语音压缩与回放需要掌握和了解如下几个知识：语音编码原理、量化、DPCM&ADPCM、语音采集与输出模块、a律压缩、A/D、D/A及存储芯片的选择、数据存储器的选择等等。2 系统设计及分析2.1 涉及的基础知识2.1.1 语音编码语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码。PCM编码即脉冲编码调制。波形编码的最简单形式就是脉冲编码调制（Pulse code modulation），这种方式将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表示，并用脉冲对采样幅 度进行编码，所以叫做脉冲编码调制。脉冲编码调制没有考虑语音的性质，所以信号没有得到压缩。2.1.2 量化脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化，即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化方 式。但是均匀量化有缺点，在信号动态范围较大而方差较小的时候，其信噪比会下降 。 国际上有两种非均匀量化的方法：A律和u律，u律是最常用的一种。在美国，7位u律是长途电话质量的标准。 而我国采用的是A律压缩，而且有标准的A律PCM编码芯片。 2.1.3 DPCM&ADPCM 降低传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。相邻的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得到压缩。因为差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。这种编码叫Differential PCM,简称DPCM，即差分脉冲编码调制。 ADPCM即自适应差分脉冲编码调制，是包括短时预测的编码系统。CCITT（国际电报电话咨询委员会）在1984年提出的32 kbit/s的编码器建议就是采用ADPCM作为长途传输中的国际通用语音编码方案。这种ADPCM编码方案达到64 kbit/s PCM的语音传输质量，并具有很好的抗误码性能。2.1.4 a律压缩 A律编码（A-law ）是ITU-T（国际电联电信标准局）CCITT G.712定义的关于脉冲编码的一种压缩/解压缩算法。 世界上大部分国家采用A律压缩算法。美国采用mu律算法进行脉冲编码。 令量化器过载电压为1,相当于把输入信号进行归一化，那么A律对数压缩定义为： 当0 = x = 1/A时，f(x)=(Ax)/(1+lnA) 当1/A = x = 1时，f(x)=(1+lnAx)/(1+lnA)在现行的国际标准中A=87.6，此时信号很小时(即小信号时)，从上式可以看到信号被放大了16倍，这相当于与无压缩特性比较，对于小信号的情况，量化间隔比均匀量化时减小了16倍，因此，量化误差大大降低；而对于大信号的情况例如x=1，量化间隔比均匀量化时增大了5.47倍，量化误差增大了。这样实际上就实现了“压大补小”的效果。按上式得到的A律压扩特性是连续曲线，A的取值不同其压扩特性亦不相同，而在电路上实现这样的函数规律是相当复杂的。为此，人们提出了数字压扩技术，其基本思想是这样的：利用大量数字电路形成若干根折线，并用这些折线来近似对数的压扩特性，从而达到压扩的目的。下图2-1为a律压缩的示意图图2-1 a律压缩示意图从图2-1中可以看到，先把轴的01分为8个不均匀段，其分法是：将01之间一分为二，其中点为1/2，取1/21之间作为第八段；剩余的01/2再一分为二，中点为1/4，取1/41/2之间作为第七段，再把剩余的01/4一分为二，中点为1/8，取1/81/4之间作为第六段，依此分下去，直至剩余的最小一段为01/128作为第一段。而轴的01均匀地分为八段，它们与轴的八段一一对应。从第一段到第八段分别为，01/8，1/82/8，7/81。这样，便可以作出由八段直线构成的一条折线。该折线与式(6-22)表示的压缩特性近似。压缩后的码字组成：比特0-3表矢量化值，比特4-6表示段值，压缩后的码字符号放在比特7，为了简化未写出。表2-1 a律压缩表压缩前的码字丢弃的比特数压缩后的码字输入值段值，量化值比特：11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0比特：6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 a b c d x 10 0 0 a b c d 0 0 0 0 0 0 1 a b c d x1 0 0 1 a b c d 0 0 0 0 0 1 a b c d x x2 0 1 0 a b c d 0 0 0 0 1 a b c d x x x 3 0 1 1 a b c d 0 0 0 1 a b c d x x x x 5 1 0 0 a b c d 0 0 1 a b c d x x x x x6 1 0 1 a b c d 0 1 a b c d x x x x x x 7 1 1 0 a b c d 1 a b c d x x x x x x x 8 1 1 1 a b c d 从A律到线性扩展的转换如下表：表2-2 a律解压缩转换表压缩过的码字 偏值的输入 段值,量化值比特: 6 5 4 3 2 1 0比特: 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 0 a b c d 0 0 0 0 0 0 0 a b c d 1 0 0 1 a b c d 0 0 0 0 0 0 1 a b c d 1 0 1 0 a b c d 0 0 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 1 1 a b c d 0 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 1 0 0 a b c d 0 0 0 1 a b c d 1 0 0 0 1 0 1 a b c d 0 0 1 a b c d 1 0 0 0 0 1 1 0 a b c d 0 1 a b c d 1 0 0 0 0 0 1 1 1 a b c d 1 a b c d 1 0 0 0 0 0 0 2.2 实验方案用板内的AD/DA转换器AD50将由MIC输入的模拟信号转换为16位数字信号送入DSP板中进行压缩处理，压缩处理后的数据经过解压后再送至DA转换器转换为模拟信号，由SPEAKER口输出，压缩和解压缩用A律格式，从而实现语音信号的采集压缩与回放。图2-2 总体框架图2.3 程序流程图 基于TMS320C54X的语音压缩与回放程序流程图如下所示。开始初始化DSP及串行口初始化A/D转换器D/A转换器语音经A/D转换器输入及量化数据压缩数据存储解压缩经D/A转换器回放结束是否存满空间？数据处理NoYes图2-4 程序流程图3 程序代码我主要完成a律解压缩的代码编写，因此对主程序和a律压缩不做详细的解释。3.1 头文件定义/*/#include #include #include #include /*/* Function Prototypes */*/void delay(s16 period);unsigned char data2alaw(int pcm_val);int alaw2data(unsigned chara_val); /*/* Global Variables */*/HANDLE hHandset; /*句柄变量*/int data;int data1;long i,j=0;long k,l=0;unsigned int temp1;unsigned char temp2;unsigned int m;unsigned int buffer36000;3.2 主函数/*/* MAIN */*/void main() if (brd_init(100)/初始化DSK板,失败退出 return; /* blink the leds a couple times */for(m=6;m0;m-)brd_led_toggle(BRD_LED0);/* brd_delay_msec(1000); */delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED1);/* brd_delay_msec(1000); */delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);/* brd_delay_msec(1000); */delay(1000); /* Open Handset Codec */ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); /* Acquire handle to codec */ /* Set codec parameters */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /* DAC in 15-bit mode */ codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /* ADC in 15-bit mode */codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); /* 6dB gain on analog input to ADC */codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_12dB); /* -12dB gain on analog output from DAC */ codec_sample_rate(hHandset,SR_16000); /* 16KHz sampling rate */ /* Polling and digital loopback */ while (1) brd_led_disable(BRD_LED1);/关闭led1 brd_led_disable(BRD_LED2);/关闭led2 brd_led_toggle(BRD_LED0);/开启led0 /* Wait for sample from handset */ while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) data = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC); /采集语音信号 temp1=data2alaw(data); /temp1=data2ulaw(data); /保存压缩后的数据 把低地址数据放在高八位 高地址数据放在第八位 i=i+1; if(i%2=1) bufferj=(temp1=72000) i=0; if(j=36000) j=0; brd_led_disable(BRD_LED0); /放音 brd_led_disable(BRD_LED2); brd_led_toggle(BRD_LED1); for(k=0;k8)&0x0ff; else temp2=bufferl&0x0ff; l+; if(l=36000) l=0; data1=alaw2data(temp2); while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC) = data1*4; brd_led_disable(BRD_LED0); brd_led_disable(BRD_LED1); brd_led_toggle(BRD_LED2); /放音结束 for (m=0;m3;m+) delay(1000); for (m=0;m0;m-)brd_led_toggle(BRD_LED0);/* brd_delay_msec(1000); */delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED1);/* brd_delay_msec(1000); */delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);/* brd_delay_msec(1000); */delay(1000);4）语音信号采集与回放程序/判断MCBSP是否做好接收准备 while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ) ; /从A/D读取转换数据data = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC);temp1=data2alaw(data); /temp1=data2ulaw(data);/ 将数据写入D/A转换器data1=alaw2data(temp2); while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC) = data1*4;5) 数据存储与处理i=i+1; if(i%2=1) bufferj=(temp18)&0x0ff; else temp2=bufferl&0x0ff; l+; 3.3 a律压缩子函数/*/*a率压缩 */*/unsigned char data2alaw(int data) unsigned char i,sign,achord,astep; unsigned int output,absol,temp; temp=absol=abs(data); sign=(data=0)?1:0; /判定符号：正数 =1，负数 =0for (i=0;i16;i+) /确定temp中出现1的最高位 output=temp&0x8000; if(output) break; /temp 左移i位后最高位为1 temp=1; achord=11-i; /段值 if (achord1)&0x0F;/段值为0,将absol左移1位得到量化值 elseastep=(absolachord)&0x0F; /段值不为0,将absol左移achord4095) /超过最大值4095，输出最大值0x7foutput=0x7F; if(sign) return output=0xFF; /返回含有符号信息的输出值else return output=0x7F;3.4 a律解压缩子函数/*/*a率解压 */*/ int alaw2data(unsigned char input) unsigned char sign,achord,astep;unsigned int temp;int data;temp = input0xFF; /得到含有符号信息的压缩值sign = (temp&0x80)7; /符号位achord = (temp&0x70)4; /段值astep = temp&0x0F; /量化值astep = 1;if(!achord) /段值为0,输出值为量化值左移1位后加1data=astep+1;else data=astep+33; /扩展后数值中的6位非零值 data=achord-1; if(sign) return -data; /有符号的扩展值 else return data;3.5 延时子函数/延时void delay(int period) int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); 3.6 5402.cmd文件 实验中还需要添加5402.cmd文件，5402.cmd文件及其解释：MEMORY PAGE 0: VECS: origin = 0080h, length = 0080h /*内部程序RAM */ PRAM: origin = 0100h, length = 0FFFh /* 内部程序 RAM */ PAGE 1: SCRATCH: origin = 1000h, length = 0020h /* Scratch Pad Data RAM */ DMARAM: origin = 1020h, length = 0300h /* DMA缓存*/ DATA: origin = 1320h, length = 0080h /*内部数据RAM */ STACK: origin = 1400h, length = 0500h /* 堆栈内存空间 */ INRAM: origin = 1900h, length = 0100h /*内部数据 RAM */ HPRAM0: origin = 1A00h, length = 0002h /* HPI */ HPRAM1: origin = 1A02h, length = 0280h /* HPI */ HPRAM2: origin = 1C82h, length = 0280h /* HPI */ EXRAM: origin = 1F10h, length = 0EA00h /* 外部内存*/SECTIONS .cinit PRAM PAGE 0 .text PRAM PAGE 0 .vectors VECS PAGE 0 init_var PRAM PAGE 0 detect PRAM PAGE 0 vrcprg PRAM PAGE 0 matprg PRAM PAGE 0 .stack STACK PAGE 1 .trap SCRATCH PAGE 1 .const EXRAM PAGE 1 .data EXRAM PAGE 1 .bss EXRAM PAGE 1 .cio EXRAM PAGE 1 .switch EXRAM PAGE 1 tables EXRAM PAGE 1 var EXRAM PAGE 1 svctab EXRAM PAGE 1 /* SS_V LSP table */ vctab EXRAM PAGE 1 /* V LSP table */ uvctab EXRAM PAGE 1 /* UV LSP table */ cuvtab EXRAM PAGE 1 /* Stochastic codebook */ cdbktab EXRAM PAGE 1 /* various codebook tables*/ logtab EXRAM PAGE 1 /* table for log2 */ powtab EXRAM PAGE 1 /* table for pow2 */ hamtab EXRAM PAGE 1 /* table for hamming */ lgwtab EXRAM PAGE 1 /* table for lag window */ acostab EXRAM PAGE 1 /* table for arccos */ sqrtab EXRAM PAGE 1 /* table for square root */ acbtab EXRAM PAGE 1 /* table for thresholds in acb */ pm03tab EXRAM PAGE 1 /* table for x(-0.3) computation