【毕业学位论文】语音处理技术在单片机上的应用研究与实现-计算机系统结构

电子科技大学硕士学位论文语音处理技术在单片机上的应用研究与实现姓名：郭迅申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：王忠仁20030601语音处理技术在单片机上的应用研究与实现中文摘要随着多媒体信息处理技术的发展，音频处理技术得到了广泛的应用。语音处理是人机交互的一个重要环节，语音处理技术具有很高的实用价值，已广泛应用于很多的信息查询系统。本文通过对语音报站系统的分柝和设计，从理论和实践两个方面对语音处理技术进行了深入的研究，并在凌阳公司提供的u文首先介绍了数字音频的基本知识，然后详细介绍了运行平台和开发环境，包括并行口的工作原理、音频输出口频输入口断的工作原理等。论文接着对语音报站系统分别从硬件和软件两方面进行分析设计，选择和利用开发板提供的软硬件资源，详细描述了实现语音报站系统的设计思想和实现步骤。为完成语音报站系统的功能，论文设计并开发出了相应的功能模块。最后，论文对开发实现的实验装置提出进一步的修改意见。关键词：数字音频，单片机，语音处理，语音报站系统语音处理技术在单片机上的应用研究与实现、of is is of of O in it in on in in Oof it PS in of by PS in he 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名： 期：瑚；年用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名： 韭墨 导师签名：哆艄夕日期：却概念，现状及前景第1章概述随着计算机科学技术的发展，人们已经不能满足于仅仅通过键盘和显示器同计算机交换信息，而是迫切需要一种更加自然的、能为多数人所接受的方式与计算机沟通，让计算机能听懂人的话，能用语音控制各种自动化系统， 由此就诞生了一门新的学科一计算机语音学它主要包含以下几个方面：语音编码(语音合成(语音识别 (语种识别(1 说话人识别(说话人确认(。语音处理是人机交互的一个重要环节，让机器将已存在的语音文件通过压缩编码，编辑，解压播放的处理过程，实现在单片机上的控制，具有很高的实用价值。计算机言语输出有着广阔的应用前景，它可应用于残疾人帮助，电话查询，文本校对，火车站、飞机场的信息报告等领域。12论文的主要任务为设计和开发一个实用的公交车报站系统，通过对该系统所需各项技术知识的分析，选择合适的运行平台和开发工具环境。该系统包括：语音的采集、压缩编码和存储，以及解码还原语音信号输出。系统所需硬件平台除包含语音A盘。软件应包括对语音的采集、压缩编码、存储及解码输出等功能模块。为方便控制选择各段语音输出，系统还包括键扫描服务程序功能模块。为了使系统工作可靠，系统还需要设计看门狗计数的功能，防止程序跑飞。鉴予此，根据系统需要，我们选择凌阳公司“音处理技术在单片机上的应用研究与实现以及凌阳公司提供的开发环境一一关单片机的结构，将在第三章中详细介绍本文的章节安排本文的第二章简单描述了语音编码技术的基本原理，第三章详细介绍了所采用的运行平台和开发环境。第四章具体介绍项目设计和实现过程。2语音处理技术在单片机上的应用研究与实现21数字音频第2章语音处理技术的基本原理声音是机械振动在弹性介质中传播的机械波，话筒把机械振动转换成电信号，模拟音频技术以模拟电压的幅度表示声音的强弱。在计算机内，所有的信息均以数字表示，声音信号也用一系列数字表示，称为数字音频。它的特点是保真度好，动态范围大。2 11数字音频的采样和量化2111采样声波实际上是连续信号x(t)，用计算机处理这些信号时，必须先对连续信号采样，即按一定的时间间隔到x(整数。需满足采样定理：采样定理：设连续信号x(t)的频谱为x(f)，以采样间隔如果满足fc，12可以由离散信号x(全确定连续信号x(f)。常用的音频采样率有：81025205 678418112量化为了把采样序列x(入计算机，必须将样值量化成一个有限个幅度值的集合。通常，用二进制数字表示量化后的样值，用化过程如下：先将整个幅度划分成有限个小幅度(量化阶距)的集合，把落入某个阶距内的样值归为一类，并赋予相同的量化值。设为量化阶距，量化器的最大范围是：=28212数字音频的文件格式在多媒体技术中，存储声音信息的文件格式主要有：2音频编码基础及标准2 21编码基础从信息保持的角度讲，只有当信源本身具有冗余度，才能对其进行压缩。根据统计分析的结果，语音信号中存在着多种冗余度，其最主要部分可以分别从时域和频域来考虑。另外由于语音主要是给人听的，所以考虑了人的听觉机理，也能对语音信号实行压缩。时域信息的冗余度幅度的非均匀分布样本间的相关周期间的相关静止系数长时自相关系数频域信息的冗余度非均匀的长时功率谱密度语音特有的短时功率谱密度人的听觉感知机理222音频编码标准及分类2221音频编码的标准当前编码技术发展的一个重要方向就是综合现有的编码技术，制定全球的统一标准，使信息管理系统具有普遍的互操作性并确保了未来的兼容性国际上，对语音信号压缩编码的审议在国际电报电话委员会(设的第十五研究组进行，相应的建议为为如G711，G721，G722，G728，质量高效率的音频压缩技术广泛的用于多媒体应用。音像制品、数字广播、数字电视等领域4语音处理技术在单片机上的应用研究与实现2222音频编码的分类基于音频数据的统计特性进行编码，其典型技术是波形编码其目标是使重建语音波形保持原波形的形状脉冲编码调制(称最简单最基本的编码方法它直接赋予抽样点一个代码，没有进行压缩，因而所需的存储空间较大为了减少存储空间，利用音频抽样的幅度分布规律和相邻样值具有相关性的特点，提出了差值量化(称自适应量化(称自适应预测编码(称算法，实现了数据的压缩波形编码适应性强，音频质量好，但压缩比不大基于音频的声学参数，进行参数编码，可进一步降低数据率其目标是使重建音频保持原音频的特性常用的音频参数有共振峰，线性预测系数，滤波器组等这种编码技术的优点是数据率低，但还原的信号质量较差，自然度低将上述两种编码算法很好的结合起来，采用混合编码的方法，能在较低的码率上得到较高的音质如码本线性预测编码(称多脉冲线性预测编码(称基于人的听觉特性进行编码：从人的听觉系统出发，利用掩蔽效应，设计心理声学模型，从而实现更高效率的数字音频压缩其中以M P E 语音处理技术在单片机上的应用研究与实现第3章运行平台和开发环境简介31 位单片机随着单片机功能集成的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制扩展为控制数据处理以及数字信号处理(领域。O设计的u，它的t6位微处理器芯片，广泛应用于嵌入式系统，控制系统，尤以语音处理见长。3，j1 位单片机基本结构及功能 图31 内置2接口夺通用异步全双工串行接口有收波形夺串行设备接口：可与串行设备进行数据传输夺10位模数转换转换个通道的输出能力为3数器，可自动预置计数初值夺内置32768工作电压范围：26一一5533一一491 52对红外信号进行接收或发送夺14个中断源来自系统时钟，定时器计数器，时间基准发生器，外部时钟源输入，触键唤醒以及通用异步串行接口等夺掉电方式下的系统运行可将功耗降至5u 眠方式下的看门狗维护功能夺具有低电压复位，低电压监测功能7语音处理技术在单片机上的应用研究与实现312P、栈指针用寄存器指针指针志位据段寄存器码段寄存器序指针位缓存器(用户部寄存器址编址器据寄存器寄存器硬件单元路调制器位寄存器术逻辑单元堕l!竖堕u 21数据总线和地址总线具有16位数据线，其基本数据类型是“字”。22位地址线21最多可寻访4于存放指令代码和数据。地址线中的高6位S)或6位数据段(这高6位成为存储器的页索引码，简称页码(低16位则来自相应的16位寄存器，称为存储器的地址偏移(3122算数逻辑运算单元与用户寄存器，内部寄存器及移位器间通过内部总线连接，组成成各种运算功能。3123用户寄存器组“的功能如下表所示：8甘口刃。删2语音处理技术在单片机上的应用研究与实现表31寄存器存器符号 功能名称0(000) 栈指针寄存器1(001) 般寄存器2(010) 般寄存器3(011) 般寄存器4(100) 般寄存器5(101) 5) 基址指针寄存器6(110) 6) 状态寄存器7(111) 7) 程序指针寄存器3，124移位器进行多种移位操作，对法操作的移位缓存单元。313u 端口系统端口零页u 片内存储器地址映射9即冲耶耶蚰耶髓黼黼燃勰语音处理技术在单片机上的应用研究与实现夺静态数据存储器64个字，即000000余的存储器的寻访速度为三个时钟周期。H单片机可扩展外部程序存储器页中地址范围为008000中000寻访速度为三个时钟周期。其余非零页中的堆栈u构如图34示。较高地址+op 图3-4 u堆栈结构堆栈由上而下生成，栈底为高地址，栈顶为低地址。堆栈指针压入(个字数据后多个寄存器压栈写入时总是让指令中序号至序号最低的寄存器入栈。弹栈(作前，弹栈拷贝数据之前总是将先弹出拷贝的数据置入指令中序号最低的寄存器，直至最后一个拷贝数据置入序号最高的寄存器为止。32定时器计数器单片机提供了两个1 6位的定时器计数器：音处理技术在单片机上的应用研究与实现32，1定时器计数器的结构图35示=二=二=一旦叫 石。cn f 千 千 夺 j l叫 时间基准计数器 J钟系统的结构图3。6和图37分别表示了36 bl (读)!竺! l 16位定时磊计数器 竺塑兰塑斛4位计数器u萼4竺!(1一 J 位半加器 l：。=二P b7 b6 l _1输出脉冲控制r+l x“ 陋出脉冲控制 数器的初值可直接预置或自动重预置写入到预负荷寄存器中。当定时器计数器被启用或计数产生溢出时，计数初值便会在下一个计数时钟源跳沿时刻被同步装入计数器。322定时器计数器的控制要素(1)时钟源频率的选择：设置两个时钟源也是为了使定时器计数器模式多一些，因而用途更广一些。通过写入P控制定时器计数器的时钟源输入选择和脉宽调制输出的占空比。定时器计数器的控制列于表32中l 2语音处理技术在单片机上的应用研究与实现表32注制功能说明4 2 0X“ X X 0 0 O X X X 0 O l 56X X X 0 1 O X O 1 1 X 1 0 0 X 1 0 1 X 1 l 0 X X X 1 l 1 0 X X X 1 X X X 0 X X X l l X X X l 0 0 X X X 1 X X X O X X X 1 1 X X X 只有5，3)为保留位。234562择取决于见时钟系统内容。1 3语音处理技术在单片机上的应用研究与实现续表32脉宽调制占空比控制脉宽占空比A(B)PA(B)8 6O O O O 0 O 0 1 116 1 O 216 1 1 316 1O 1 0 0 416 l0 l O l 516 1O 1 1 0 616 l 1 716 11 0 0 0 816 0 1 916 1 0 1016 11 0 1 1 1116 O O 1216 1l l O 1 1316 1 0 1416 l1 l 1 1 ) 1P数器的时钟源频率。其中2用于选择时钟源表32可以看出，般可源自系统时钟频率，即源自锁相环倍频电路输出；而常源自实时时钟系统振荡器32768两种时钟系统经分频组合为如2时器计数器的预置数：直接预置(写入预置单元)自动重预置(计数溢出)。(3)定时器计数器计数溢出：控制方波发生器输出翻转中断源信号。1 4语音处理技术在单片机上的应用研究与实现(4)脉宽调制输出占空比的控制P9用于选择级脉宽调制信号，用来控制马达等设备的运行速度。323定时器计数器的配置定时器计数器的配置单元和其功能说明列在表33中。表33读写配置单元 存储地址 功能说明属性16位定时器计数器写 700进行时钟源写 700数器写 700进行时钟源写 700时器计数器会在选择的时钟源频率下开始向计数增加的方向计数N+I，N+2，计数到数器溢出，产生一个中断请求信号此同时，计数初值数器内，并重复上述加计数的过程。定时器计数器的溢出信号还会作为脉宽调制输出计数器的时钟源输入，使其输出一个具有四位可调的脉宽调制占空比输出信号控制马达或其他一些设备的速度。1 5语音处理技术在单片机上的应用研究与实现33中断系统331中断类型H常中断，事件中断和软件中断。3311异常中断异常中断表现为非常重要的事件，一旦发生，前该单片机定义的异常中断只有复位一种。通常u电，看门狗计数器溢出以及系统电源低于某电压低限。不论什么情况引起复位，都会使复位引脚的电位变低，进而使程序指针指的系统复位程序入口地址。3312事件中断(简称中断)一般产生于片内外设部件或由中断输入引脚引入的某个事件。这种中断可以整体开通禁止，也可以个别加以屏蔽。3313软件中断软件中断是由软件指令中断的向量地址为32中断方式速中断请求即两种中断都可以由指令控制开通或禁止。3321中断向量和中断源共有9个中断源即9个中断向量共可安置14个中断源供用户使用，其中有3个中断源可安置在有10个中断源则可安置在有一个专用于通用异步串行口安置在l 6语音处理技术在单片机上的应用研究与实现3322中断源的优先级别除了复位以外，次为后是表3次地从优先级别最高的意，这里所说的为如果有一个较低级别的使后面有较高级别的34中断向量 中断优先级别位向量) 中断发生时，这些中断服务子程序就会通过号一为中断向量进入点之用。许中断的中断源产生中断请求时，一个向量所指地址上的中断服务程序要读取中断控制断是哪一个中断源产生了中断请求，以便进入相应的服务程序入口进行中断处理。当中断源的中断请求被中断请求可通过写入中断标l 7语音处理技术在单片机上的应用研究与实现志清除个单元通常只能被写入。当某一位被写入“l”时，便清除了该位上相应的中断请求；写入“0”时不会改变中断源的状态。进入下一级的中断向量所指的入口地址，继续执行下一级中断服务程序，直至所有的中断服务程序都被执行完毕，便会回到中断发生前的程序指令处，继续下面指令的执行。332 3中断系统的配置表35列出了35配置单元 读写属性 存储地址 功能说明P 写 701删 可写控制各中断源允许或禁止中断，读可判断产生中断请求的中断源P 7011来清除中断源的中断请求P 入各位。1或0，可控制相应的中断源允许或禁止中断。允许中断的中断源产生中断请求时，优先级别高的中断请求会先被同一个中断向量所指地址上的中断服务程序要读取P判断是哪一个中断源产生了中断请求，以便控制进入相应的服务程序入口地址执行服务指令。中断请求被响应后，其标志可通过写入P单元只能被写入。当某一位被写入1时，便清除该位上相应的中断源的中断请求；写入0时不会改变中断源的状态。3324中断系统的控制表36列出了中断控制单元P 8语音处理技术在单片机上的应用研究与实现表36中断控制位 中断向量 中断源 说明位输入024 024：系统时钟的1024分频信号024B 部输入信号部输入信号唤醒信号096048024时基发生器输出的选频信号基发生器输出的选频信号用异步串行口数据传输中断中断34模数转换器转换器(自然界与计算机进行信息交换的桥梁之一。它是一种信号转换接口，可以把模拟量信号转换成数字量信号，以便输入给计算机进行各种处理。u转换(AD)。341 转换器0位缓存器次逼近寄存器l 9语音处理技术在单片机上的应用研究与实现以及比较器图38中的虚线框所示。图中的动方式和自动方式。卜矧揣 (a)NI k以t、3年71l、 ，I b)bl+ ，11手动方式而代之的是内部比较器模拟言之，须用软件程序来控制模拟信号的输入采样或保持，通过写入A及通过读比较器的比较结果来推测模拟输入电压值VN。例如，当外部2试着写入A实际对应于18于2V18V，故”，则A D 着写入A0000000B，它实际对应于24于与外部模拟信号相比较经2由德州仪器公司出口的验结果显示与仿真结果相符，e 于位单片机的短距离立体声数字音频无线传输系统开发 3(9)采用731、细介绍了系统的软硬件设计、实现以及发泰 数字音频技术在楼宇对讲系统中的应用 (11)现行二总线制楼宇呼叫对讲系统中,多数系统均采用数字信号进行呼叫、控制,而对讲则直接采用音频模拟信号,侧音大、设计出高音质、低成本、简单实用的楼宇对讲系统,完全解决了侧音大、字音频功率放大器原理及实现 (4)介绍了数字音频功率放大器的基本原理,结合单片机组成一个完整系统,国阳 一种基于008随着电子技术的迅速发展，数字信号在容易控制、保密性好、不易受干扰等方面的优势越来越明显，音频信号的传输和处理也逐渐向数字化方式转变。以太网作为局域网络的主流技术，其应用已遍及各个方面，为网络传输提供了极大的便利。另外，广播技术及多播技术的运用进一步提高了网络传输效率，节省了网路带宽，降低了网络传输成本。本课题结合数字音频及网络技术的优点，设计完成了一种基于统利用现有便利的网络设施来传输音频信号，低了成本。多路音频信号以数字化方式传输，避免了传统音频处理系统中传输多路音频信号需要铺设多路管线的缺点，保证传输中信号的质量。采用多播技术实现多点播出，可以灵活实现音频数据分组，分区传输。该系统由上位机管理软件和网络音频处理终端两部分构成，本文侧重于讨论网络音频终端。它实现了从以太网中接收音频数据包，依次经过链路层、网络层、传输层解包后，将数字音频数据还原为模拟音频并输出。主要针对以下三个方面研究:(1)网络音频终端的硬件实现选用高度集成以太网控制器转化器用计终端硬件系统。(2)单片机内实现合单片机内部有限硬件资源，在单片机中软件实现了经简化的化的协议栈主要包括以下几个模块:(3)在现了对网络音频数据包的接收及处理功能，在许通过浏览器直接访问终端。于电声技术2009,33(5)现了均衡、延时、分频等多种复杂的音频处理,利用单片机与志远 006本课题中研究和实现了基于设备可以通过一根普通5类线实时传输多达16路248允许音频数据与标准以太网数据包共存。网络音频信号的输入输出可以自由选择、切换和路由，具有