（控制理论与控制工程专业论文）语音压缩算法的研究及其在dsp中的实进实现.pdf

a b s t r a c t t h i s p a p e r d e s c r i b e s t h e o n - t i m e r e a l i z a t i o n o f t h e a l g o r i t h m o f s p e e c h c o m p r e s s i o n a b o u t a d p c m o n t h e t m s 3 2 0 c 5 4 x d s k p l u s b o a r d . f i r s t， t h e a u t h o r i n t r o d u c e s t h e t h e o r e t i c a l r e s e a r c h o n a d p c m f r o m i t s m e a n i n g， p r i n c i p l e a n d p e r f o r m a n c e. s e c o n d，t h e d e v e l o p m e n t , a p p l i c a t i o n a n d s y s t e m o f t h e d s p , e s p e c i a l l y t h e o n - t i m e r e a l i z a t i o n s y s t e m a r e p r e s e n t a t i o n . a t l a s t , t h e a r t i c l e n a r r a t e s s o m e e x p e r i m e n t a l s p e e c h. t h e y s y s t e m s a b o u t t h e d i g i t a lp r o c e s s i n g o f arei m p o r t a n t c o n t e n t s o f t h e r e s e a r c h . k e y w o r d s :c o m p r e s s i o n c o d e d e c o d e a d p c m d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) 第一章 概述 第一章概述 1 . 1引论 信息的传递是人类在改造自 然、征服自然的社会活动中必不可少的工 作， 在高度信息化的今天更是如此。 语音就是用来传递信息的一种重要方式， 或者说，语音的作用就是通信。同图象、 文字、 编码等其它方式一样，蕴藏 着各种信息的语音在通信系统中必须首先被转化成电 信号后才能被传递至 远端。 在 信 道 中 用 来 传 递 信 息 的 电 信 号 有 模 拟 信 号 和 数 字 信 号 之 分 ， 因 而 就 构 成了 模拟通信系统和数字通信系统两类。 数字通信与模拟通信相比， 无论是 传输质量上还是技术、经济上都有其显着优点。 1 . 1 . 1 抗千扰能力强 电信号在传输过程中必然会受到各种噪声的干扰。对模拟信号来说， 干扰信号形成的噪声是迭加在模拟信号上的， 噪声和原信号难以分开。 在增 音站中随着信号的放大， 噪声也被放大了， 而且噪声的影响将随着增音站的 增加而累积。 数字通信系统传送的二进制数字脉冲信号， 其信息不是包含在 脉冲波形之中， 而是包含在脉冲的有无之中，只有当噪声干扰幅度的绝对值 在抽样时刻超过某个门限值时， 才有可能改变信号的值， 即从“ 有” 变成“ 无” ( 1 到0 )或从“ 无”到“ 有”( 0 到1 ) 。因此数字通信比模拟通信抗干扰能 力强。 1 . 1 . 2 .易于加密，保密性强 数字信号的加密比较方便，不需要很多复杂的设备。 1 . 1 . 3灵活性高，有利于多种信息的传输和交换 数字通信中，电话、电 报、图象和数据等各种信号都可以首先经过数字 化， 然后利用时分复用原理将数字信号拆散， 穿插在一起传输。 通信过程中， 通信系统对数字信号的传输进行监视， 控制所用的信号与所传输的代表消息 的信号其形式与处理方法都是相同的. 数字信号传输技术还可以与空分或时 i 第一章概述 分交换技术结合起来组成统一的综合业务数字通信网工 s d n 。 它能对来自 各种 不同信息源的信号进行变换、综合、 传输、处理、储存和分离，实现各种业 务的综合，它还便于插入和分支，使用非常灵活方便. 1 . 1 . 4可以方便的与现代数字计算机连接 山于数字通信中的二进制数字信号与数字电子计算机所采用的数字信 号完全一致， 所以 数字通信线路可以 很方便地与电子计算机连接， 实现复杂 的、远距离的、以计算机为中心的计算机通信网。 1 . 1 . 5设备简单、 经济、 便于集成 数字电路主要由电子开关和逻辑电路构成， 它没有象模拟通信那样需要 大 量 高 质 量 的 滤 诚 器 及 深 负 反 馈 放 大 器 等 设 备 。 所以 数 字电 路 比 模 拟电 路 容 易集成化，可采用中、大规模甚至超大规模的集成电路，制成体积小、 功耗 低、重量轻、 成本低的设备【， 2 ， . 数字通信具有如此之多的优点，因而越来越受到人们的青睐，但此时数 字通信的致命缺点也暴露出来了， 那就是- 一 占 用的信道频带宽! 以传输语 音的数字电话为 例， 一个话路的 模拟电 话约占4 k h z 带宽， 若采用p c m系统 传输时， 抽样频率为8 k h z ， 用8 位码元编码， 则数码率为6 4 k b i t / s .通常 数码率愈高， 所需信道的频带也愈宽，根据奈奎斯特第一准则，一个话路的 数字信号约占3 2 k h z带宽， 远大于模拟带宽4 k h z.其它数字信号与模拟信 号相比，也有同样的缺点。 或者说，这些重要信号的数字化版本需要每秒 更多的比 特数去存储或传输， 这就造成了高成本。 例如， 表1 . 1 列出了几种 重要信源信号的原始数据速率。 当把这些数据同存储能力或选择的通信线路 的传输率相比时， 我们会对表 1 . 1 的速率有个概念:目 前，普通电 话线路调 制解调 速率为2 8 . 8 k b p s ， 在北美区 域用于声音信号的 传输比 特率为8 k b p s ， 这 样，未经压缩的9 6 k b p s 就需要将电 话的声音信号的带宽拓宽1 2 倍。另外， c d - r o m的容量大约是 6 5 0 m字节，一种正在研制的多层数字化光视频盘 ( d v d - 5 ) 的容量大约有4 0 千兆比特， 这样， 对于未压缩的电视信号， c d - r o m 仅可以存储 2 3 . 5 秒，d v d - 5仅可存储大约3 分钟节目。 第一章 概述 表1 . 1 未 经压 缩信源的 大 致比 特率 h i 电话( 2 0 0 -3 4 0 0 h z ) : 8 0 0 0 样本数/ 秒x1 2 1 匕 特/ 样本二 9 6 k b p s 宽带语音 ( 5 0 -7 0 0 0 h z ) : 1 6 0 0 0 样本数/ 秒x 1 4 比 特/ 样本二 2 2 4 k b p s 宽带音 频:4 4 1 0 0 样本数/ 秒x 2 信道x1 6 比 特/ 样本二 1 . 4 1 2 m b p s 图 像:5 1 2 x 5 1 2 像素色彩图像x 2 4 比 特/ 像素= 6 . 3 兆比 特/ 图 像 视频:6 4 0 x 4 8 0 像素色彩图 像x 2 4 比 特/ 像素x 3 0 图 像/ 秒二 2 2 1 m b p s 高消晰度电 视:1 2 8 0 x 7 2 0 像素色彩图像x 6 0 图 像/ 秒= 1 . 3 g b p s 然而，即使是这样，也阻挡不了 通信数字化的社会发展必然趋势。 解决问题的办法是发展宽带传输线路和频带压缩技术，只有这样，才能 改进保持数字化传输和存储的优点。前者是硬件构成，随着光缆的建设已得 到实现，关键是后者，正是本论文的研究重点，当然，对象是语音。 1 . 2数字压缩问题 数字压缩简单地说就是信源的有效数字表示方法。 更明确地说法是:数 字压缩是在保持一个可以接受的逼真度损失的情况下采用尽可能少的比特 数来表示信源。 信源可以是数据、静止图象、语音、电视或其它需要存储或 传输的信号。而对于语音来说，语音压缩也可以称之为语音编码。 数字压缩问题主要有信源、 速率和逼真度准则或失真测度。 对所有的信 源来说， 压缩都有其非常的意义， 但究竟用哪一种压缩方法还是取决于是否 有好的信源模型。比如说，电话频带的语音可以用许多方法来精确表示， 这 些方法都采用了 线性预测模型，因为这个模型结构在诸多语音编码中最清 晰。 另一方面， 宽带音频、 静止图 象、 电 视等， 由 于缺乏合适的结构化模型， 所以这些信源的压缩就不能只采用一种特定的模型。 第二个是比特率，比 特率可以被看成是采样速率 ( 每秒样本数) 乘以样 本精度 ( 比特/ 样本) ， 表1 . 2 中列出了各种音频信源的采样速率。其中的速 率大致代表了 奈奎斯特采样速率 ( 信源带宽的两倍) ，但其它一些因素的影 响使一般的采样速率要比最小的采样速率大一些。 s 第一章概述 表1 . 2音 频采 样速率w 应用系统带宽 ( k h z )采样速率 ( k h z ) 语音电话 3 . 28 电话会议 7 . 01 6 c d 音响 2 0 . 04 4 . 1 数字录音 ( d a t ) 2 0 . 04 8 第三个是逼真度准则或失真度的衡量。为便于在有损编码中的数学处 理， 较好的 选择是采用平方误差作为失 真衡量标准。 但用这个准则来衡量音 频或视频的主观性能都被证明是不可行的。 在压缩算法方面， 近年有了 很大 进展， 影响这些进展的主要因素之一就是采用了基于主观感觉的失真衡量方 法，并用于声音编码、高品质的音频编码、静止图象和视频的量化表设计。 1 . 3语音压缩的基本问题 语音编码或称语音压缩编码研究的基本问题， 就是在给定编码速率的条 件下， 如何能尽好的重建语音质量，或称编码质量，同时尽量减少编解码延 时以及算法的复杂程度. 换一个角度也可以说， 在给定编码质量、编解码延 时及算法复杂程度的条件下， 如何降低语音编码所需的比特率。 这四个因素 之间有着密切的联系，并且在不同的应用中对各方面的侧重要求也有所不 同。 1 . 3 . 1编码质量 语音编码质量是衡量语音编解码算法优劣的关键性能之一。如何评价 语音编码质量也成为语音编码领域所研究的一个重要课题。 多年来人们提出 了许多方法，归纳起来可以分为两类，即客观评定方法和主观评定方法。 客观评定方法用客观测量的手段来评价语音编码质量， 常用的方法有信 噪比、 加权信噪比、平均分段信噪比等。 它们都是建立在度量均方误差的基 础上，其特点是计算简单， 但不能完全反映人们对语音质量的感觉，这个问 题对于速率为 1 6 k b / s以下的中、低速率语音编码尤为突出，因此此法主要 第一章概述 适用于速率较高的编码类型的算法。 主观评定方法符合人类听话时对语音质量的感觉，目前得到了广泛应 用。 常用的方法有平均意见得分 ( m e a n o p i n i o n s c o r e ， 简称m o s 得分) ， 判 断韵字测试 ( d i a g n o s t i c r h y m e t e s t , 简称 d r t得分) ，判断满意度测量 ( d i a g n o s t i c a c c e p t a b i l i t i m e a s u r e ， 简称d a m 得分) 等。 1 . 3 . 2编码速率 编码速率可以用 “ 比特/ 秒”( b / s )来度量，它代表了编码的总速率， 一般用 i 表示. 编码速率也可以 用 “ 比 特/ 样点”( b / p ) 度量，它代表了 平 均每个语音样点用多少比 特编码，一般用r 表示。i 和r 可以 通过采样速率 联系起来: i = rf , 其中的采样速率f . 是根据n y q u i s t 定理由 信号带宽决定的. 显然， 平均每样点比 特数r 越高， 语音波形或参数量化则越精细， 话音 质量也就越容易作高， 相应地对传输带宽或存储容量的 要求也就越高了。 1 . 3 . 3编解码的复杂程度 编解码算法的复杂程度同语音编码的话音质量有非常密切的关系。 在同 样数码率的情况下， 采用复杂一些的算法将会获得更好一些的话音质量。 换 句话说， 对于相同的话音质量， 采用复杂一些的算法能够降低编码所需的 速 率。 编解码算法的复杂程度同硬件的实现有密切关系， 它将决定硬件实现的 复杂程度、 体积、 功耗以 及成本等。目 前在许多 应用中都使用通用数字信号 处理芯片 ( d s p )实时实现各种语音编解码算法。它的好处是研制周期短， 初次投资小。 算法的复杂程度对d s p 芯片的运算能力以及所需要的存储器容 量都提出了一定的要求。 算法越复杂则需要越高档的d s p 芯片以及较大容量 的存储器来实现，其成本、功耗目 前都比较高。 1 . 3 . 4编解码延时 增加算法的复杂程度可以提高语音编码质量， 但往往也伴随着增加编解 码的延时。 在实时语音通信系统中， 语音编解码的延时同线路传输延时的作 5 第一章概述 用一样， 对系统的通话质量有很大的影响。 对于公用电 话网， 可能会有几次 音频转接，也就是会有多次语音编解码，因 此对单次语音编解码延时， 通常 要 求 不 超 过5 -1 o m s o 本论文在研究语音压缩编码算法时， 必然要综合考虑这四个方面的性能 因素。 第二章语音信号的压缩编码 第二章语音信号的压缩编码 2 . 1语音压缩编码算法的类型 自 从3 0 年代末提出 脉冲编码调制 ( p c m ) 原理以 及声码器 ( v o c o d e r ) 概念以后， 语音信号编码一直沿着这两个方向发展， 它们被称为语音信号的 波形编码与声码化编码， 或称为非参数编码与参数编码， 参数编码有时也称 为模型编码。 2 . 1 . 1波形编码 语音信号的波形编码力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状. 这类编码器通常将语音信号作为一般的波形信号来处理， 产生一系列根据一 组规则代表那种波形的0 和1 。因此，波形编码具有适应力强、话音质量好 等优点，但所需要的编码速率高。脉冲编码调制 ( p c m ) 、自 适应增量调制 ( a d m ) 、自 适应差分脉冲编码调制 ( a d p c m ) 、自 适应预测编码 ( a p o、自 适 应子带编码 ( a s b c ) 、自 适应变换编码 ( a t c ) 等都属于这类编码器。它们分 别在6 4 -1 6 k b / s的 速率上能 给出高的编码质量，当 速率进一步降 低时， 其 性能会下降得很快. 2 . 1 . 2参数编码 同波形编码不一样，参数编码通过对语音信号特征参数的提取及编码， 力图使重建语音信号具有尽可能高的可懂性，即保持原语音的语意， 而重建 语音信号的波形同原语音信号的波形可能会有相当 大的差别。 特别是就相对 相位值而言。 因为人的耳朵对相位相当不敏感， 参数编码器不打算准确地再 生相位.这类编码器的优点是编码速率低，例如可以低到 2 . 4 k b / s ，甚至 2 . 4 k b / s 以下，它的主要问 题是合成语音质量差， 特别是自 然度较低，连熟 人都不一定能听出讲话人是谁。另外，这类编码器对讲话环境噪声较敏感， 需要安静的讲话环境刁 能给出较高的可懂度。 通道声码器、 共振峰声码器以 及目 前广泛使用的线性预测声码器都是典型的参数编码器. 2 . 1 . 3混合编码 7 第二章语音信号的压缩编码 计算机的发展为语音信号编码技术的研究提供了强有力的工具，大规 模、超大规模集成电路的出现为语音编码的实现提供了基础。7 0 年代中期， 特别是 8 0年代以 来， 语音编码技术有了突破性的进展，提出了一些非常有 效的处理方法， 产生了新一代的参数编码算法，这就是混合编码，它们构成 了新一代的声码器。这种算法克服了原有波形的编码器与声码器的弱点， 而 结合了它们各自的长 处，在4 -1 6 k b / s 速率上能够得到高质量的合成语音， 在本质上也具有波形编码的优点。 只是算法比 较复杂。 多脉冲激励线性预测 编码 ( m p l p c ) 、规则脉冲激励线性预测编码 ( r p e l p c ) 、码本激励线性预测 编码 ( c e l p ) 等都属于这类新型参数编码器。 在大约 1 1 -1 2 k b / s 和更高的速率下，波形编码可提供长途电话质量的 话音。 在更低的速率， 低到大约4 k b / s ， 其质量被划归通信质量。 在低于4 k b / s 的速率，参数或“ 源” 编码器比波形编码器提供更好的易懂性，但只有合成 质量。图2 . 1 中给出了三种类型的编码方式可得到的话音质量，当然其垂直 虚线并不是精确的分界线。 某些混合编码器提供非常接近长途电话质量， 而 一些波形编码器仅提供通信质量。 泣形口曰 -一. 卜卜一 - 砚介绮曰 森 .胜.妈 图2 . 1 在话音编码中可得到的质量(7 ) 2 . 2语音编码发展的概况 语音编码的各种国际标准集中反映了语音编码技术发展的水平. 标准 的制定则是根据应用背景， 对于编码质量、编码速率、编码延时以及算法复 杂程度等四个因素进行综合权衡而做出的最优选择， 以期在实际应用中获得 最佳效益. 表2 . 1 列出了当前针对电话带宽语音编码而制定的一些主要国际 标准，以及它们的质量和应用范围。图2 . 2 则更定量地描述了 质量与编码速 8 第二章语音信号的压缩编码 率之间的关系。虚线代表期望能达到的目 标。 e “亡” ” “ g .g . 7 1 1 . 6 !7 2 1 . 3 2k b / -k b / .p c ma b p c m 7 2 8 . 1 6 k b / . 俪俪 2 4 8 1 6 逮 书 一一-.一-j 1 一皿 ( k b / . ) 图2 - 2目 前语 音编码m o s 分与 编码速率 之间 的关系 1z l 表2 . 1目 前国际上一些电 话语音编码标准算法的性能及土要应用习 编码标准 公布年代 6 . 7 1 1 6 . 7 2 1 6 . 7 2 8 1 9 7 2 1 9 8 4 - 1 9 8 6 1 9 9 2 g s m c t i a 1 9 8 8 1 9 8 9 n s a n s a 1 9 8 2 1 9 8 9 i t 特率 算法名称 6 4 k b / s 3 2 k b / s 1 6 k b / s p c m a d p c m l d - c e l p 1 3 k b / s 8 k b / s r p e / l t p v s e l p 4 . 8 k b / s 2 . 4 k b / s c e l p l p c 应用领城公用电话网公用网数字移动通信话音保密话音 i l 音质盈 mos分 4 . 3 4 . 1 4 . 13 . 7 3 . 83 . 2 2 . 5 d r t9 5 9 4 9 49 39 3 9 0 d a m7 3 6 8 7 06 86 4 5 3 从表2 . 1 可以 看到8 0 年代以来语音编码技术迅速发展的情况。国际电 报电话咨询委员会( c c i t t ) 1 9 7 2 年制定t g . 7 1 1 6 4 k b / s 脉冲编码调制( p c m ) 语音编码标准。由于受到编码技术以及 i c 技术的限制 ， 其后停顿了较长一 段时间，直到 1 9 8 4 年才公布了g . 7 2 1 3 2 k b / s自 适应差分脉码调制 ( a d p c m ) 标准，并且在 1 9 8 6年根据运行中出现的问题，对算法做了部分修改。这两 个标准都达到了进入公用电话网的质量.码本激励线性预测 ( c e l p ) 编码方 第二章语音信号的压缩编码 法提出后， 4 -1 6 k b / s中、 低速率语音编码的话音质量有明 显提高。 c c 工 t t 从1 9 8 8 年开始研究符合进入公用网要求的1 6 k b / s 语音编码标准。 经过一年 多的工作， c c i t t 选定了a t 其音频带宽为2 0 0 -3 4 0 0 h z ， 采 样频率为8 k h z ， 每一样点用4比 特编码。 3 . 2 a d p c m 算法原理 a d p c m是自 适应差分脉冲编码调制的简称，它是波形编码中性能最优的 算法.与直接量化的p c m 相比，它涵盖了三方面的内容:自 适应量化、差值 量化和自 适应预测。 3 . 2 . 1自 适应量化 我们知道， 要得到语音波形的数字表示， 必然要经过抽样和量化两个过 程，如图3 . 1 所示。 1 3 第四章 d s p 的发展应用及t ms 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 第四章d s p 的发展应用及t m s 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 4 . 1 d s p 概述 数字信号处理( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ) 和数字信号处理器( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 的 简称 都是d s p ， 然 而其内 涵却是 不同 的。 数 字 信号处 理是指将模拟信号通过采样进行分析、 处理， 它侧重于理论、 算法及软件实 现。数字信号处理有一些典型算法，如大家熟知的快速傅立叶变换 ( f f t ) i 这一算法 己 经成为衡量d s p 处理器运算速度的一个指标。 要实现这些算法， 特别是要实时地完成某些算法就需要有特殊的硬件支持， 这就是数字信号处 理器。 数字信号处理技术能够得到广泛的普及和应用， 在很大程度上得益于 数字信号处理器件性能的提高和价格的下降， 因此， 现在说到d s p 一般都指 d s p 器件。 d s p 是从微处理器基础上发展起来的一种高速专用的微处理器。 它有强 大的 运算功能和高速的传输数据能力， 能方便的地处理以运算为主的不允许 时延的实时信号; 它有独具一格的逆寻址方式， 能高效地进行快速傅立叶变 换运算。它采用内存映射方式管理 1 / 0 ，能灵活方便地扩充外围电路。d s p 制作上采用超大规模集成电 路生产技术， 工艺由 当 初的3 u m n m o s改 进为 现 在的0 . 2 5 p m c m o s ，将中央处理器 ( c p u ) .程序寄存器、数据寄存器和硬件 乘法器、累加器、 移位器、地址发生器集成在同一芯片上。 d s p 的程序存储 器和数据存储器是完全隔离的，其运算处理采用哈佛结构或改进型哈佛结 构，其双独立总线比当前绝大多数计算机使用的冯. 诺依曼结构更为复杂， 解决了总线拥挤的问 题， 确保提高运算速度与系统的灵活性。 在指令的处理 上， 采用了 流水线操作方法. 所以， 双地址发生器、 独立的乘法器和累加器、 多总线 ( c p u 总线和d m a 总线)结构和流水线处理指令方法使d s p 具有一般 微处理器所不具备的并行处理指令的能力， 实现了 单指令乘加运算的并行执 行。芯片特有的先进技术还有数据指针的逆序寻址功能、 指令的重叠运行、 无消耗循环控制等等。 这些突出的性能在谱估计、 数字滤波、 数字压缩等应 3 5 第四章 d s p 的发展应用及t ms 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 用方面得到了充分的体现。 就结构而言，d s p 可以分为定点d s p 和浮点d s p 。定点d s p 与浮点d s p 在硬件结构上最大的不同之处在于数据存储结构方面. 浮点d s p 用户不必知 道如何存储数据， 而应用定点d s p 时， 用户可以从芯片性能、 运行速度、 价 格、功耗等几个方面综合考虑。一般情况下， 定点d s p 适用于采样频率低的 相对比较简单的算法，浮点d s p 适用于采样频率高的相对比较复杂的算法。 如果所涉及的数据范围大， 则采用浮点d s p 比 较合适。 就用途而言，d s p 可 以分为通用d s p 和专用d s p 。如同其他的通用处理器一样， 通用d s p 也具备 一些共性，如应用灵活， 运算速度快，流水线操作。 在通用d s p 的基础上， 一些具有特殊功能的d s p 也应运而生。 生产厂商通常将同样d s p 内核设计的 特许协议，以 便生 产专用电 路。 美国d s p 集团已向1 8 家公司发放2 4 项d s p 内核的许可证，在增加系统信号处理功能、确保d s p 通用性和灵活性方面， 与用户之间形成战略联盟。这一类d s p 的特点是批量大、价格低、功耗小。 典型产品 有调制解调器、 m p e g 编码译码器、 数字电 视机顶盒芯片组等( v 1 4 . 2 d s p 器件的特点 4 . 2 . 1多 总线结构 世界上最早的微处理器是基于冯. 诺依曼结构的， 其取指令，取数据都 ) l i tl1 过 条总线完成的，ai i 1 h , b 须分时进行，在高速i = ; t f i lll . 4 1 : ; 1 . 4 : 044 h 1 通 道上会出 现瓶颈效应。 而d s p 内 部一般采用的是哈佛 ( h a r v a r d ) 体系结构， 它在片内 至少有四套总线: 程序的数据总线、 程序的地址总线、 数据的数据 总线和数据的地址总线. 这种分离的程序总线和数据总线， 可允许同时获取 指令字 ( 来自 程序存储器)和操作数 ( 来自 数据存储器) ， 而互不千扰， 这 意味着在一个机器周期内 可以同时 准备好指令和操作数. 有的d s p 芯片内 部 还包含有其它总线， 如d m a 总线等，可实现单周期内完成更多的工作。这种 多总线结构就好象在d s p 内部架起了四通八达的高速通道， 保障运算单元及 时地取到需要的数据， 提高运算速度.因此， 对d s p 来说，内部总线是个资 源，总线越多，可以完成的功能就越复杂。 3 6 第四章 d s p的发展应用及t ms 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 4 . 2 . 2多处理单元 d s p 内部一般都包括多个处理单元， 如硬件乘法器( m u l ) 累加器( a c c ) , 算术逻辑单元 ( a l u ) ， 辅助算术单元 ( a r a u )以 及d m a 控制器等. 它们都可 以 在一个单独的指令周期内 执行完计算任务， 并且这种运算往往是同时完成 的。 例如，当完成一个乘法和累加的同时，辅助算术单元己经完成了下一个 地址的寻址工作，为下一次的运算作好了充分的准备。因此，d s p 可以完成 连续的乘加运算， 而每一次的运算都是单周期的。 这种结构特别适用于滤波 器的设计， 如 i i r 和f i r . d s p 的这种多处理单元结构还表现在将一些特殊 算法作成硬件以提高速度， 典型的f f t 的位反转寻址， 语音的a 律，u 律算 法等。 4 . 2 . 3流水线结构 要执行一条d s p 指令， 需要通过取指令、 解码、 取操作数和执行等几个 阶段。d s p的流水线结构是指它的这几个阶段在程序执行过程中是重叠的， 即在执行本条指令的同时，下面的三条指令己依次完成了取操作数、解码、 取指令的操作， 这样就将指令周期的时间降低到最小值。正是利用这种流水 线机制， 保证d s p 的乘法、 加法以 及乘加运算可以 在一个单周期内 完成， 这 对提高d s p 的运算速度具有重要意义， 特别是当设计的算法需要连续的乘加 运算， 这种结构的 优越性就得到了 充分的表现. 也正是这种结构， 决定了d s p 的 指令荃水_ l 都是单周期指令， 衡量一个d s p 的 速度也基木上以 单周期指令 时间为标准，其倒数就是大家熟知的m i p s( 每秒多少兆次指令) 。 4 . 2 . 4硬件乘法器 可以说几乎所有的 d s p内部都有硬件乘法器，硬件乘法器的功能是在 单周期内 完成一次乘法运算， 是d s p 实现快速运算的重要保障。 然而，并不 是有了 硬件乘法器就可以 认为它是一个d s p ，目 前，已 有一些m c u 厂商将乘 法器集成在其内部， 但要真正实现类似d s p 的高速性能， 还需要内部上述的 其他几个特征相配合。 第四章 d s p的发展应用及t ms 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 4 . 3 d s p 的发展概况 世界上第一颗d s p 芯片是美国德州仪器公司 ( t i )于 1 9 8 2 年推出的第 一代产品: t m s 3 2 0 1 0 。之后， t i 又相继推出了各种性能的d s p 。不久，模拟 器件、 摩托罗拉 、 朗 讯等公司也 推出了 各自 的 产品。 至今， d s p 芯片生产厂 家包括了美、日、 西欧的许多半导体制造大公司，其中美国t i公司为最大 厂商， 拥有七家重要的d s p 生产厂，能生产 1 5 0 余种产品，占世界市场份额 大小依次是朗讯公司2 9 % ， 模拟器件公司1 1 % , 摩托罗拉公司8 % . 在所有d s p 产品中， t i 公司的t m s 3 2 0 系列所占 的市场最大， 应用面最广。 d s p 经 过 十 多 年 的 发 展 ， 封 装 外 形 从 当 初 的 2 8 脚 陶 瓷 外 壳 双 列 直 插 式 发 展到当 今的3 5 2 脚表面贴装式， 寻址、 数据吞吐、 并行处理的能力也极大地 提高，而功耗、芯片体积却是基本不变.如今的d s p 无论是处理功能还是运 算速度都己 不能同日 而语。以t m s 3 2 0 为例，最初的c i x 系列的运算速度为 2 0 m i p s ，只能处理 1 6位的定点数， 而如今的 c h 系列的运算速度高达 2 0 0 0 m i p s 。 处理数据的能力也提高t, c 3 x , c u, c h都能处理3 2 位的浮点 数. 随着超长指令字( v l i w ) 结构和多处理单元d s p 的出现， 产品结构也得到 了 很大的改进， 芯片的并行性能， 即 在一个指令周期内d s p 所能完成的运算次 数， 得到了很大的提高。 根据d s p 的硬件结构，d s p 的发展过程可以大致分成以下三个阶段. 4 . 3 . 1 常规的d s p 阶段 常规的d s p 器件有: t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 , 摩托罗拉公司的d s p 5 6 0 0 0 , 模拟器件公司的a d s p 2 1 0 0 等，这些产品都具有以下特点: *哈佛内 存结构*单周期乘法器 *特殊的寻址方式*独特的累加寄存器 *支持软件循环的硬件 4 . 3 . 2改进的d s p 阶段 所谓改进的d s p 是在保留了 大部分常规的d s p 硬件结构的基础上， 再增 加一些硬件结构， 如增加一个乘法器、采用改进型的哈佛结构，t i公司的 3 8 第四章 d s p 的发展应用及t ms 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 t m s 3 2 0 系列就属于这类产品， 性能高、 功耗低、 尺寸小。 朗讯公司 在原来的 a d s p - 2 1 1 6 0 的 基础上， 增加一套计算单元， 这样能大大加快计算速度。 4 . 3 . 3新型的d s p 阶段 t i 新近研制的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ， 一改以往的设计方法， 其独特的v 工 l w 结 构，给人耳目 一新的感觉。c 6 0 0 0 最大的特点是8 指令并行处理，是运算速 度更快，其中c 6 2 x x 为1 6 位定点的d s p ， 速度为1 2 0 0 - 2 0 0 0 m i p s ，用于无线 基站、 a d s l m o d e m 、网络系统、中心局交换机、 数字音频广播设备; c 6 7 x x 为 3 2 位浮点的d s p ， 速度为l g f l o p s ， 用于基战数字束波形成、 医学图 像处理、 语音识别等。 新一代的 d s p还应用了先进的硅胶技术， 采用了多处理器单元结构. t m s 3 2 0 c 8 x内 含多个处理单元和一个3 2 位的r i s c 主d s p 。这种片内集成的 多处理单元结构提供了强大的并行处理功能， 其速度可达2 g m i p s e 4 . 4 d s p 的应用 d s p 的 市场正成为 半导体行业关注的 热点， 其应用由 最初的军用尖端技 术拓展到通信、 计算机、 家电、办公自 动化、 仪器仪表、 汽车电 子、 工业控 制等许多领域。表4 . 1 列举了一些应用领域和具体产品。 下面仅就d s p 在通信行业中的应用作一简单介绍。 在诸多应用中， 通信占了 很大比 例。 通信技术的快速发展与d s p 的发展 密不可分。 调制解调器己 成为d s p 应用最多的产品。 采用了 特殊功能d s p 的 调制解调器使访问因特网的速度得到提高。随着网络通信协议的不断更新， 设备的更新只要装入新的软件即可完成。 今天， 无线通信己 成为d s p 的最大 市场。在数字无线技术应用中，d s p 起到了 调制信号的作用，具体包括:调 制和解调、 通道编码和解码、语音压缩、回声抵消。 在蜂窝通信中，d s p 主要用于手机和无线基地站。 蜂窝式手机的关键设备必须是低价、 低功耗和 体积小， 而d s p 具备了这些条件. 在t d m a 手机中， d s p 完成所有的物理层处 理工作。在c d m a 手机中，由于通用的d s p 不能满足物理层的需要， 所以一 些如滤波的信号处理是由 a s i c来完成，而剩余的处理工作如信号合成等是 3 9 第四章 d s p 的发展应用及t m s 3 2 0 c 5 4 x 硬手 系统 由d s p 来完成。 无线基地站的 物理层山于需要同时处理多个用户的信号， 所 以要求其数字信号处理能力更加强大。 表4 . 1 d s p 应用领域和具体产品 应用领域具体产品 通信设备 办公设备 白动化与 汽车设备 医疗设备 娱乐系统 家用电器 图象处理 计算机与 多媒体 无线基站、电视会议系统、中心站交换系统、专用交换机 p b x 与电 信交换系统、 数字用户环路系统、 个人通信系统 p c x 、 数字蜂窝电 话、 数字无绳电 话、 个人数字助理p d 人 、 语音压缩、高速调制解调器、综合业务数字网、语音信箱 呼叫处理、 可视电 话、 寻呼机、 数字应答机、 远程访问 服 务 器等 激光打印机、复印机、扫描仪等 f 厂自 动化系统、 机器人控制、 仪器仪表、白 动控制、电 子智能 控制、 全球定 位系统、汽车通信、防撞雷达驾驶仪 、 悬挂系统、 燃油喷射系统、 系统诊断、 汽车音响等 超声波诊断设备、 核磁共振成像、计算机断层扫描仪、 助 听器等 数字机顶盒、 v c d 和c d 机、 d v d 系统、数码相机和摄象机、 数字电 视、家庭影院系统、 立体声音响、电子乐器等 洗衣机、空调设备、烘干机等 图象增强、 机器人视觉、图 象压缩、模式识别等 硬盘驱动器、 调制解调器、 c d - r o m ,磁带机、数字成像系 统、语音识别、多媒体_ 作站、视频卡等 4 . 5 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的硬件结构 t m s 3 2 0 c 5 4是 1 6位定点 d s p ， 适应于远程通讯等实时嵌入应用的需 要， c 5 4 x 具有较高的 操作灵活性和运行速度。 使用改 进的哈佛结构， 使得功 第四章 耗更低且具备较高的并行处理能力 w 1 t m s 3 2 0 c 5 4 x 具有以下优点: d s p 的发展应用及t m s 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 1 .围绕一组程序总线，三组数据总线和四组地址总线建立的改进的哈 佛结构，使得性能和多功能性得以提高; 2 . 具有高度并行性和专用硬件逻辑的c p u 设计， 使芯片性能大大提高; 3 . 高度专业化指令集更适用于快速算法的实现和高级语言编程的优化; 4 .模块化的结构设计，使派生器件得到了更快的发展; 5 .最新的i c 制造工艺，提高了芯片的性能，降低了功耗; 6 .最新的静态设计技术使得芯片具有更低的功耗和更强的辐射能力。 4 . 5 . 1 结构概述 c 5 4 x包括了中央处理单元 ( c p u ) 、内 存和片上外设几大部分. c 5 4 x 的d s p 芯片采用了改进型的哈佛结构，并且8 条总线扩大了数据处理能力。 2 0 k - wo r d p r o g r a m r om b k - w o r d p r o g r a m / d a t a r om 5 k - w o r d p r o g r a m / d a t a r am ie e e1 1 4 9 . 1 s l d t e s t / e mu 月一卜 d ( 1 5 - 0 ) s t a n d a r d se r i a l p o r t 0 macal u s t a n d a r d s e r i a l p o r t 1 1 7 x1 7mp y 4 0 b i a d d e r ro u n d sa l u t a t e 4 0 b i t a l u c m p s o p e r a t o r 少it e r b i a c c e l e r a t o 0 e x p e n c o d e t i r n e r s h i ft e r a c c u mu l a t e r s o ft w a r e wa i t s t a t e ge n e r a t o r 4 0 b d b a r r e l ( - 1 6 , 3 1 ) ) p l l c l o c k ge n e r a t o r a d d r e s s i n g u n it e o p t 1 x 1 , 1 .5 ,2 ,3 o p t 2 x 1 4 a 5 ,5 h o s t p o s t i n t e rf a c e 图4 . 1 t m s 3 2 0 c 5 4 x 结构框图 程序和数据空间的分开允许同时对程序指令和数据指令进行访问， 提供了很 高的并行度， 可在一个周期内 完成两个读和一个写操作。因此， 并行存储指 41 第四章 d s p 的发展应用及t m s 3 2 0 c 5 4 x 硬件系统 令和专用存储指令可以 在这种结构里得到充分的利用。 另外， 数据可以 在数 据空间和程序空间之间传送， 并行性支持一系列算术逻辑和位处理运算， 它 们都能在一个周期内完成。除此以外， c 5 4 x 还具有管理中断、循环运算、 功能调用的控制结构。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 结构框图如图4 . 1 所示。 4 . 5 . 2 总线结构 c 5 4 x 系列的d s p 芯片 采用了 先进的多总线结构， 一共有8 条1 6 位的总 线，其中一条程序总线、三条数据总线、四条地址总线。 程序总线( p b ) 用来传输程序内 存中的指令代码和立即操作数。 三条数据总线 ( c b , d b , e b ) 和许多不同的单元相连，如c p u ,数据地 址发生逻辑， 片上外设和数据内 存， 其中c b 和d b 为读数据总线， 可用数据 空间调出操作数，e b 可将数据写入到数据空间中去。 表4 . 2 读写访问的总线利用率 访问类 型地址总线数据总线 p a bc a bd a be a bp bc bd be b 程序读v v 程序写v v 数据单次读vv 数据双重写 vvvv 3 2 位数据读 v ( h w ) v ( 1 w