（信息与通信工程专业论文）双速率音频编码器关键技术研究.pdf

国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 摘要 中低速语音编码是当今通信技术研究中的热点之一，作为新一代语音压 g . 7 2 3 . 1 在5 .3 k b i t / s 和6 . 3 k b i t / s 的传输码率下取得了良 好的综合话音性能，其广 前景和巨大的商业价值，对它的研究和实时实现，有重要的现实意义。 缩标准， 阔的应用 本文首先介绍了语音压缩的基本原理、编码方式以及语音压缩编码的相关标稚和发展 概况，进而以可视电话、视频会议等多媒体通信系统开发为研究背景，设计出一种以 t i 公司生产的低功耗高速处理芯片 d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9为核心处理芯片，以立体声音频编解 码芯片t l v 3 2 0 a 工 c 2 3为辅助的音频a / d , d / a芯片的，适合于低码率语音压缩算法的音频 处理硬件平台。在详细分析并研究了g . 7 2 3 . 1 语音压缩标准的基础上，在所设计的硬件平 台上实时实现了g . 7 2 3 . 1 双速率语音压缩算法 ( 文中称之为音频编码器)。该音频编码器 可以直接应用于可视电话系统、电视会议系统等带宽受到限制的多媒体通信系统。考虑其 实际应用的特点，我们还对语音回声消除算法做了初步研究， 并提出一种确实可行的基于 多层线性神经网络的 b p算法，为我们后面进一步完善音频处理模块的多用途、多功能提 供了坚实而有效的理论基础。 【 关键词】g . 7 2 3 . 1 ，编解码，语音压缩，d s p ，音频处理，回声消除，b p 算法 第 1页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 a b s t r a c t l o w b i t r a t e c o d e c i s o n e o f t h e i m p o r t a n t a s p e c t i n c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y . a s a n e w v o i c e c o m p r e s s i o n s t a n d a r d , g . 7 2 3 . 1 h a s g o o d p e r f o r m a n c e i n b o t h 5 . 3 k b i t / s a n d 6 . 3 k b i t / s . t h i s c o m p r e s s i o n s t a n d a r d h a s g r e a t a p p l i c a t i o n p r o s p e ( t . a n d c o m m e r c i a l v a l u e . i t i s g r e a t s i g n i f i c a n t t o h a v e a f u r t h e r s t u d y a n d t u r n i t . i n t o r e a l - t i m e r e a l i z a t i o n . i n t h i s p a p e r , w e p r e s e n t t h e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e o f v o i c e c o m p r e s s i o n , c o d e c m o d e , r e l a t e d s t a n d a r d i n l o w b i t r a t e v o i c e c o m p r e s s i o n a n d i t s d e v e l o p m e n t s t a t u s . t h e n w e d e v i s e a c o d e c s y s t e m , w h i c h i s c o m p o s e d o f d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a n d t l v 3 2 0 a i c 2 3 , t o a d a p t t o l o w b i t r a t e c o d e c . a f t e r s t u d y i n g t h e g . 7 2 3 . 1 v o i c e c o m p r e s s i o n a l g o r i t h m , w e p u t g . 7 2 3 . 1 i n t o r e a l i t y i n d s p . t h i s s y s t e m c a n b e d i r e c t l y u s e d i n a l l k i n d s o f m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s u c h a s v i s i o n t e l e p h o n e o r v i d e o m e e t i n g s y s t e m . c o n s i d e r i n g i t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , w e a l s o d o s o m e w o r k i n e c h o c a n c e l i n g . a b p a l g o r i t h m i s p r o p o s e d t o c a n c e l t h e e c h o w h i c h i s i n t e l e p h o n e c o m m u n i c a t i o n . t h i s a l g o r i t h m i s b a s e d o n m u l t i - l a y e r l i n e r n e u r a l n e t w o r k . a l l t h e w o r k w e h a v e d o n e m a k e i t p o s s i b l e t o p e r f e c t t h i s m u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n a u d i o p r o c e s s i n g m o d u l e . k e y w o r d s g . 7 2 3 . 1 , c o d e c , e c h o c a n c e l i n g , v o i c e c o m p r e s s i o n , d s p , a u d i o p r o c e s s i n g , b p a l g o r i t h m 第 1 1页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的 研究工作及取得 的 研究成果。 尽我所知， 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 经发表和撰写过的 研究 成果， 也不包含为获得国防 科学技术大学或其它 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。 学位论文题目: 双速率音频编码器关键技术研究 学 位 论 文 作 者 签 名 : a ? fib。 期 : 71 .903 年 ， 月 r、 日 学位论文版权使用授权书 本人完 全了 解国防 科学 技术大学有关 保留、 使用学 位论文的 规 定。 本人授权 国防 科学技术大学可以 保留 并向国 家有关部门 或机构送交论文的复印 件和电 子 文档， 允许论文被查阅 和借阅; 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. ( 保密学位论文在解密 后适用本授权书. ) 学位论文题目: 学位论文作者签名: 日 期 :71 0 0 3年 日 期 :0 年 月 份 日 ; f 丸 杰丛而 作者指导教师签名:r r月1 甘日 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 表目录 表 1 . 1 语音信号压缩部分标准 ， ， ， ， 3 表 2 . 1 t l v 3 2 0 a i c 2 3控制接口 模式 ， ， ， 1 1 表 2 . 2 工 2 c模式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 表 2 . 3 控制寄存器功能对应表 ， ， ， ， 1 2 表 3 . 1 a c e l p激励码本 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 表 3 . 2 6 . 3 k b i t / s速率下的比特分配 3 5 表 3 . 3 5 . 3 k b i t / s速率下的比 特分配 ， ，. 3 5 表3 . 4运 算 复 杂 度 统 计 分 析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 表3 . 5第一 组 数 据编 解 码 结 果 ， ” ” 4 6 表3 . 6第 二 组 数 据 编 解 码 结 果 ， . 4 6 表3 . 7函 数 优 化比 较 结 果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 图目 户noc 录 .二， .，. . . .， .，二， ，. h12161723242436盯38铭胡50525252 硬件结构框图 ， c 5 5 0 9的内 部结 构框图 ， 一 s p i时序图 . . . . . . . . . . . . ，又个八 q口9自0 2 . 4 双线1 1 c 相容时 序图 ， 。 ， . . . . . . . . . . . . ， 2 . 5 d s p模式下的时序图 . . ， ， . ， 二 ， . . ， . ， 二 2 . 6 t l v 3 2 0 a i c 2 3 与 v c 5 5 0 9 接口原理图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 1 编码器原理框图， ， . . . . 。 . . 二 ， . . . . . . . . 3 , 2 解码器原理框图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 3高 通滤 波 器的 通 带 特 性 “ “ . “ 二 3 . 4 利用w a v 文件仿 真流程图 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 . 5 g . 7 2 3 . 1 软 件 流 程图 ， ，. . . . . . ， . . ， ， . “ . ， 3 . 6 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 存储映射空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 1 回声消除算法结构示意图 ， ” ” 4 . 2 多层线性神经网络的结构， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 . 3 回声消除仿真算法单元结构示意图 4 . 4 回 声消除 单元程序流程图 . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . 4 . 5 语音输入输出 波形图 . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . 4 . 6 ,a 值都取为0 . 0 4 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 图图图图图图图图图图图图图图图图图图 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 第一章绪论 电话机的发明，使人们能够跨越时空阻隔交流思想，加快了信息传递的速度，推动社 会的进步。从此语音信号的采集，重现，存储，传输技术便得到人们的普遍关注和积极投 资，话音系统己经成为人们社会生活中不可缺少的部分。数字化通信系统较模拟通信系统 抗噪声能力强，保密性好，语音通信的数字化是不可逆转的趋势。p c m ( 6 4 k ) 语音编码标准 的诞生标志着数字化语音通信时代的到来，语音通信的质量有了可靠的保证，语音系统间 的互连互通更加容易。 然而p c m 编码系统的码率较高，占 用了大量的带宽， 限制了系统的 容量。 人类社会进入知识社会， 信息成为生产力的要素， 信息的交流成了社会生产的方式。 对通信系统的容量和质量提出了更高的要求，语音压缩技术作为解决语音通信系统容量的 重要方法，一直为人们所重视。i n t e r n e t 电话， 可视电话，电视会议等概念的提出为语音 压缩技术研究带来了新的任务和发展机会。 1 . 1 语音压缩编码基本概况 语音通信作为通信业务中一项古老的课题， 使用面广泛， 需求量大。 近年来， 随着i s d n 和数字移动通信等技术的发展，人们对语音压缩编码技术表现出极大的热情，语音信号的 压缩已成为当今世界通信领域的关键技术之一。长期以来，人们一直在孜孜不倦地研究和 尝试各种语音压缩编码方法和体制，试图在语音质量、传输码率、算法复杂度、时延等诸 多因素中寻找最佳结合点，希望在降低传输码率的情况下还能保证良好的话音质量。语音 压缩技术就是在这样的环境下产生并发展起来的。 1 . 1 . 1语音压缩的基本原理 将语音信号编码为二进制数字序列，最简单的方法是对其直接进行模/ 数变换，只要 取样率足够高，量化每个样本的比特率足够多，则可以保证解码恢复的语音信号有很好的 音质，不会丢失有用信息。然而对语音信号直接数字化所需的数码率太高，例如，普通的 电话通信种采用 8 k h z 取样率，如用 1 2 b i t 进行量化，则数码率为 9 6 k b i t / s 。这样大的数 码率即使对很大容量的传输信道也是难以承受的，因而必须对语音信号进行压缩编码。 对语音进行压缩编码的基本依据有两个19 1 。一个是从产生语音的物理机理和语言的机 第 1页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 构的性质来看，语音信号中存在较大的冗余度。 语音压缩实质上就是识别这些冗余度并设 法去掉它们。冗余度归纳起来有以 下几个方面:语音信号样本间的相关性很强，即其短 时谱不平坦。 浊音语音段具有准周期性。 声道的形状及其变化比较缓慢。 传输码值 的概率分布是非均匀的。 上面的前三种冗余度由语音信号的产生机理所决定，最后一种冗余度与所采用的编码 方法有关。第种冗余度可通过滤波来去除，使频谱变得平坦以降低冗余度，大多数波形 编码都是利用这种原理。第种冗余度是语音信号分帧处理的基础，它允许声道滤波器参 数按帧处理，然后以较低的速率，比如每隔 1 0 -3 0 m s一帧一帧传输。而概率编码方法利 用第种冗余度进行压缩。 语音编码的第二个依据是利用人类听觉的某些特点。 从听觉器官的物理机理来看，人 所能听到声音的动态范围和带宽受到限制。比如，存在听觉 “ 掩蔽”的现象，即一个强的 音能够抑制另一个同时存在的弱的音，利用这一性质可抑制与信号同时存在的量化噪声。 再比如，人的听觉对低频端比 较敏感 ( 因为浊音的周期和共振峰集中在这里)，而对高频 端不太敏感;即高的低频音能妨碍同时存在的高频音，噪声和失真在比与频谱包络相关的 噪声阀值小时，即使混淆于语音中，也感觉不出来。 利用上面的 冗余度或者语音听觉上的制约，可以 压缩表示语音信号的必要信息，从而 可以降低传输速率或存储容量。 1 . ， . 2语音压缩编码基本类型p o i 语音压缩编码分为三种类型: ( a )波形编码; ( b )参数编码: ( c )混合编码。 波形编码原理较为简单，编码器按照采样定理对语音信号在时域上进行采样、量化和 编码， 在解码端经数/ 模转换后再经低通滤波器恢复出原始语音波形。由于这种编码方法保 留了语音信号的各种过渡特征，所以解码端的声音质量一般较高。波形编码方法简单，它 具有适应能力强、话音质量好等优点，但所需编码速率较高，压缩比 有限。当编码速率在 1 6 k b p s - 6 4 k b p s 时， 话音 质量 较 高， 但当 速 率 进一 步 降 低时， 其性能 下降 较快。 脉冲 编 码 调制 ( p c m)是这种编码系统的典型代表. 参数编码不会再生原始波形。将人类发音器官产生声音的过程用一个数学模型来逼 近，并对该发声模型的参数进行编码传输称为参数编码。此模型一般可分成激励和声道两 部分， 对后者的逼近采用声管模型和共振峰模型两种， 而共振峰模型可借助l p c( 线形预 测编码) 分析导出高效算法， 故更为常用。 至于激励部分， 最简单的是清/ 浊音模型。 这样 简化，虽然可将码率压得很低，但合成语音质量很差，所以还须进行改进。 第 2页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 石 石石石石石二石石 石石石石石石石石石石石石二 二二二二二二二二二二二二 二二二二二二二二二二二二二 二二二二二二二二二二二二 二二二二巴巴二竺竺竺竺竺竺 竺一竺 竺 巴竺 竺巴 巴竺巴巴 在i p 中 常用的 语音编码器是混合 编码器， 它在一定 程 度上继承了 参数编码的高 效性和 波形编码的高 质量。 简单声码器l p c 模型之所以 合成语音质量不高， 是因为参数编码的信 号模型将激励过于简化为清/ 浊音两种，多脉冲激励声码器( m p - l p c ) 对此进行了改进。为 了降低码率，多脉冲激励仅以原始采样 1 / 1 0的脉冲样值当作激励信号，其余的9 / 1 0以零 脉冲( 这样对它们不必编码传输) 代替，大大提高了激励信号的表现力，语音的自 然度有了 很大的改进。在激励部分采用矢量脉冲激励是减少码率的最好方法。码激励线性预测 ( c e l p )就是这样的一种编码系统。 若对发声模型中的声道参数( 一般是l p c 参数) 也使用 ( v q )， 则c e l p系统的传码率可以降得很低( 1 8 b i t / f r a m e ) 仍然可以 合成较高的 矢量量化 语音质量。 编码方法中 从输入信号中提取声道模型参数和激励信号，再将它们分别矢量量化。在开环 ，对两者的最优逼近并不一定产生最优的合成语音。所以在实际应用中一般多 采用闭环编码方法， 即编码系统大都是先分析输入语音， 提取发声模型中的声道模型参数， 然后通过选择激励信号去激励声道模型产生合成语音，以追求最佳逼近原始语音的效果。 所以 编码的过程是一个分析加合成的过程， 故又称为分析 / 合成( a b s ) 编码。 1 . 1 . 3 语音压缩编码发展概况 人们对语音信号处理进行了多年的研究，取得了大量的成果，这些成果之所以能得到 广泛应用，主要得益于各种标准的制定。这些研究成果必须服从某标准或自身成为标准， 否则就只能是纸上谈兵，做为理论成果，而不能成为产品。目前针对不同的应用，由不同 的组织制定了大量的标准，比较具有代表性的如表 1 . 1 1 1 : 一 一 m a 标准压缩技术 码率 ( b / s )质量( m o s ) 一 l话 g. 71 1u / a 率6 4 g. 7 2 6adp cm3 2 一 0. 7 2 8l d- ce l p1 6 一 移动电话 一 gs mlp e- l tp1 3 . 2 一 i s 5 4 / i s 9 6vs elp1 6 / 8 一 g. 7 2 9cs - ace lp8 一 一保密与卫 do d1 01 5l p c1 02 . 4 一 do di o 1 6 cel p4 . 8 一 i n ma r s a tap c9 . 6 -1 6 1 mp - lp c 9 . 6 1 i mbe6 . 4 ip 电 话 g. 7 2 3 . 1mp - l p q6 3 acelp5 . 3 3 .5 _ 表 1 . 1 语音信号压缩部分标准 第 3页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 尽管有了以上丰富的标准，人们对语音信号压缩的研究并不会止步不前，一方面人们 仍然期望获得语音质量，编码时延，比特率，编码复杂度的更高的平衡点，另一方面功能 越来越强的硬件为满足人们这种需求提供了可能。目前的研究方向主要有对现有声码器体 制的改进和对新体制的研究和发展。 在对现有体制的研究和改进主要有:利用新理论新方法进行参数提取;对参数的性质 进行深入研究对他进行更高效的量化:改进合成语音质量。在参数提取方面人们尝试用小 波方法， 神经网络等方法来提取基音参数， 不仅可以检测基音周期还可提取声门关闭时刻， 将语音建模型分析精度提到一个新的高度。 对于参数量化水平的提高得益于参数性质研究 的深入， 如线性预测参数的量化在早期声码器中一般需要3 4 - 3 6 比特/ 帧，目 前的声码器由 于对线预测参数采用线性预测和矢量量化等方法一般只要 1 82 4比特/ 帧。 新近提出线性 预测系数的变换i s p系数可望取得更好的量化性能。对于提高合成语音质量的研究主要是 分析过程中的感觉加权系数的选取和后滤波参数选取的研究。 对于新体制的研究目前比较先进的有将一些非线性方法如混沌和分形等方法引入语 音的分析与重构的c e n p ，将小波引入声码器作为激励信号的we l p ，最新报导的利用波 形原形插值原理的声码器己经可以在2 .4 k 下合成较好的语音。 1 . 2 立题的背景与意义 可视电话是集通信技术、计算机技术、信号处理技术、视频处理技术、微电子设计技 术为一体的高科技产品， 是信息技术发展的 必然趋势， 代表了 通信产业发展的最新方向。 自1 9 9 6 年h .3 2 4 协议颁布以来， 国外己有不少公司开始研制该产品。 其中有些公司主要从 事可视电话核心芯片的生产，通过收取高额的技术使用费向系统集成商提供可视电话解决 方案，如美国的 8 x8公司、台湾的华邦电子公司。而更多的公司则是向这些专用芯片生 产商购买芯片进行组装生产。国内生产可视电话的公司绝大部分均采用这种方式。由于核 心技术掌握在国外公司手上，使得在产品选型、技术升级以及价格上均受制于国外公司， 更不要说在掌握核心技术的基础上进行自 主创新。开展与可视电话所需的最关键的核心技 术研究，并在核心技术研究的基础上研制出具有我国自 主知识产权的可视电话产品，不仅 具有很好的经济效益， 而且具有良 好的社会效益， 使我们有可能在可视电话产业化的全球 竞争中把握机遇，占据先机，为提高我国的综合国力作贡献。 本文旨在针对与可视电话密切相关的音频处理问题进行研究，并设计出具有完全知识 第 4页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 产 权 的 基 于 普 通 电 话 网 的 可 视 电 话 音 频 处 理 器 产 p p llg .由 .子 蕃 葡 毛 话 简 落 豪 初 疫 百 一墓 雨 来 进 行 语 音 通 信 的 ， 若 用 来 进 行 可 视 通 信 ， 其 传 输 带 宽 明 显 不 足 。 因 此 ， 在 普 通 电 话 线 上 实现高性能的可视电话，其关键在于对语音和活动图像进行高效压缩编码，再通过有效的 传输控制机制， 通过普通电话网进行传送。 g 7 2 3 . 1 是国际电信联盟 ( i t u ) 为了可视电话的应用， 而制定的一种低码率语音编码 标准，它具有6 .3 k b p s 和5 . 3 k b p s 两种编码速率，分别采用多脉冲最大似然量化( m p - ml q ) 和代数码激励线性预测( a c e l p ) 编码算法 11 。 将它与图 象编码标准h .2 6 3 . 复用协议h .2 2 3 . 控制协议 h .2 4 5等相结合， 即可组成多 媒体通信终端， 在局域网 l a n或通过 m o d e m在 p s t n上开辟多媒体通信业务。 现在的i n t e rn e t p h o n e也采用这一标准。本文则以g 7 2 3 . 1 标准为基础，结合d s p 实现一种可应用于可视电话的语音处理终端系统。 1 . 3 论文主要工作及安排 本篇论文主要工作有三个部分，一是设计了双速率音频编码器的硬件平台，包括芯片 选择、电 路设计、 接口 设计等;二是认真研究t g . 7 2 3 . 1 编码标准， 在d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 成功实现了g . 7 2 3 . 1 算法的基础上， 对算法软件的 优化也做了 大量的工作; 三是在语音回 声消除算法上做了初步的研究，提出一种基于神经网络的 b p算法， 高效性。根据论文的内容，我们把论文分为四章: 并验证了其可行性与 第一章 简述了语音压缩编码的基本原理以及发展概况，并对论文研究的背景及意义 进行了适当的阐述。 第二章 侧重于系统的硬件设计，详细叙述了双速率音频编码器的硬件平台的构建， 以及芯片间接口的设计，并验证其设计的可行性。 第三章 侧重于系统的软件设计， 首先认真研究了g . 7 2 3 . 1 算法标准， 然后把g . 7 2 3 . 1 算法软件成功的移植到了 d s p t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9上面。最后对算法程序进行了优化，使之能 够对语音信号进行实时的处理，并比较和测试了优化后程序的效率。 第四章 对语音回声消除算法做了初步的研究，提出一种基于神经网络的b p 算法， 通 过仿真试验验证了算法的可行性，并把这种算法与传统l m s 算法进行比较， 证明了其算法 的优越性。 最后在结束语中对整个论文的工作进行了总结。 第了 31 一 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 第二章音频编码器硬件平台的设计 音频编解码硬件系统可以为音频的算法研究与应用提供一个嵌入式实时处理平台，为 可视电话系统的研制奠定基础。本章根据音频实时编码的系统需求，构建了一个音频编码 的硬件平台， 此硬件平台包括音频处理器、 音频信号的逻辑缓冲与控制、 音频输入与 输出、 外部通信接口等。 2 . 1 音频编码器的基本组成 我们所要设计的是双速率音频编码器，该编码器的核心部分需要高速的数据处理芯片 来实现较为复杂的音频编解码压缩算法。同时为了能够独立成为一个嵌入式的最小系统则 需要必要的 a / d , d / a芯片，以及外围的可扩展接口等。综合考虑以上几个因素，我们考 虑硬件设计原理框图如下: 图2 . 1硬件结构框图 编码过程是这样的，从模拟话筒下来的信号，首先进行隔直、放大，经过音频采样芯 片采样成为数字音频信号后，进入d s p 进行g . 7 2 3 . 1 编码运算，再经过信道编码以及加密 等处理后从外部通信接口 传送出 去。 解码过程与编码过程相反，从外部通信接口 进来的数 据流在 d s p内首先进行解密，译码等相关处理后形成压缩音频数据流，继而通过 。 s p 对音 第 6页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 二 吕 二 ; 二 二 二 二 二 二 今二二二 二二 二二 二二 二二 二二 频数据流解码，最后经过音频d / a 形成模拟语音信号放大输出。 f p g a的作用是把经过 d s p计算所形成数码流进行必要的缓冲处理以适应多种接u协 议。同时对 m o d e m 、以太网设备以及 u s b 接口具有逻辑控制功能，进而实现该音频处理系 统与外部设备具有多种通信方式。 硬件设计的主要原则是保证实时的音频编解码，以及数据流的缓冲和及时交换。为此 对于音频编解码，一方面以d m a 方式传送数据，减少d s p 的c p u 工作量，另一方面，在音 频编解码过程中，我们要在 d s p 内部开辟足够的缓冲空间，避免数据输入输出混乱而导致 话音质量的下降。 2 . 2 d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9的介绍 正如我们所知道的， d s p不仅要有高速的 计算能力， 还要有丰富的 外设接口 方式。习 前具有高速超强处理能力的d s p 芯片 有t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列、 t m s 3 2 0 v c 5 5 x 系列以 及a d 工 公司2 1 1 6 x 系列等。 t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列和a d i 公司2 1 1 6 x 系列的运算能力 是非常强的，但是其缺点是功耗大和成本高。经过多方比较，我们选用 t i公司新近推出 的功能强大定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 2 1 ( 以下简称c 5 5 0 9 ) ， 不但运算能力强、 外设接口 丰富，而且功耗小成本低。c 5 5 0 9 是t ms 3 2 0 c 5 4 1 的升级版，是2 1 世纪初t i 公司的技术 创新产品， 其显著特点是每兆个指令功耗最低， 为0 . 2 5 m w / m i p ， 是业界功耗最低的d s p 芯 片。主要特点有: x先进的多总线c p u 结构; x 2 0 0 m h z 时钟， 4 0 0 m i p s ( 兆指令每秒) ; x -片内有 6 4 k 双口d a r a m , 1 9 2 k s a r a m , 1 6 k r o m; x 2 2 位地址总线和3 2 位数据总线; x 1 6 m 字节地址扩展空间; x3 种高速指令缓存( c a t c h ) ; x3 个多通道串口; x外部总线接口( e m i f ) 提供异步和同步存储器的读写访问; x6 个d m a 通道，极大地方便了数据的输入输出; xu s b i . 1 从机接口。 x 1 . 5 v 核电压降低功耗，各个模块都有功率控制，以及不工作时自 动待机。 第 7页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 c 5 5 0 9 不仅是其运算速度 ( 峰值4 0 0 m i p s ) 快， 而且其内部资源和接口灵活， c 5 5 0 9 处 理器主要由三个部分组成:c p u 、外设设备和存储器，其基本结构如下图: 内部s a r a m ( 1 9 2 k )内部d a r a m ( 6 9 k ) j4 i, - 程序控制单元 i i 地址产生单元 1 数据计算单元 指令缓存 单元c 5 5 xc p u 图2 . 2 c 5 5 0 9 的内部结构图 2 . 2 . 1 c 5 5 0 9 c 5 5 0 9的 指令单元( i u ) 统一体。 c p u 的c p u 结构 结构3 1 是高 度的功能 模块化的，见图2 . 2 ， 这是一个由 存储器单 元( m u ) , 、程序控制单元( p u ) 、地址生成单元( a u ) 和数据运算单元( d u ) 组成的有机的 存储器单元( m u ) 主要负责c 5 5 x内部执行单元与外部储存器之间的数据读写。c 5 5 x 将 寻址空h ! 分成 3 个子空间，即程序空间、数据空间和 工 /t o空间，这种安排方式，使得高速 c p u 与外部相对低速的存储器之间在吞吐量上的瓶颈可以得到一定程度的缓解。 指令单元( i u ) 控制指令的预取和译码。i u内部有一个6 4 字节长度的指令缓冲器，i u 单元中的这个指令缓冲器对于某些短小的循环在执行速度上是非常有帮助的。因为它事实 上起到了程序c a c h e 的作用，它使得 c p u 不必重复地到外部储存器中去取数据。 程序控制单元( p u )控制程序的执行顺序，p u中有许多硬件寄存器比如循坏长 度计数 器，循环起始地址寄存器，循环结束地址寄存器等.通过对这些寄存器进行一次设置，循 环程序的控制就可以交给 p u来完成了，而不必在程序中每次都对循环条件进行判断，减 少了额外开销、减少了 程序长度，同时又加快了 程序的执行时间。 地址产生单元( a u ) 的主要任务是产生操作数的地址。应用越复杂相对应的数据就越 多，数据结构就越复杂。 d s p 产生地址机制的优劣很大程度上决定了d s p 完成该 仟务的效 率。c 5 5 x 针对这种情况，由a u 来完成所有相关的地址操作。a u 部件中除了包括一 个具有 第 8页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 算术运算和位移功能的a l u 之外，还包括许多寄存器，如9 个地址寄存器、2 个变址寄存 器和支持3 个独立循环寻址的寄存器。 c 5 5 x 的这种安排使得地址的产生与其他任务区分开 来，保证了指令单周期执行的特性，而不会因为地址产生的原因使指令必须在多个机器周 期中完成，实际上提高了d s p 的运行能力。 数据计算单元( d u ) 是c 5 5 x 中数据执行部件。它包括 2 个 1 7 x 1 7 的乘累加器 ( m a c )、 一个移位器、位操作加速器、 v i t e r b i加速器和 4 个 4 0比特的通用寄存器。 t m s 3 2 0 c 5 5 x 采用增强型哈佛结构，程序存储器和数据存储器具有各自 的多总线结构， 在c p u内部共有 1 2 组总线。 从c 5 5 x 的结构中可以看到总共有6 根总线。 t m s 3 2 0 c 5 5 x 不仅 程序空间和数据空间是分开的，而且数据的读和写都有各自 分开的地址总线， 这种并行结 构允许c p u 在一个周期内进行读和写，因而提高了c p u 的处理速度。这种多总线的发式使 得 c 5 5 x d s p的实际数据运算能力得到很大的提高，因为在同一个周期中可以 进行多个存 储器的读写。 2 . 2 . 2 c 5 5 0 9 的外设接口特点 c 5 5 0 9 的 外设 接口 (4 1 包括: 六 个d m a 控制器、 三个多 通 道缓冲串口( m c b s p ) 、 外 部存储 器接口 ( e m i f )可以s d r a m 直接连接 、主机接口 ( h p i )、两个定时器、一个时钟锁相电 路和中断控制器等。d m a 控制器允许数据后台传输，因此c 5 5 0 9可以与外部设备接口而不 影响 c p u 的处理速度。 c 5 5 0 9 的d m a 控制器有六个独立的可编程通道，可以进行四个不同 的d m a 操作，每个通道可以允许传输8 位、1 6 位和 3 2位的数据，此外还有一个辅助通道 允许d m a 控制器响应具有地址产生能力的外设要求。 2 . 2 . 3 c 5 5 0 9 的存储空间特点 c 5 5 0 9 的存储空间是统一分址的， 程序和数据是共用的。 片内存储器一个有3 2 0 k 字节， 其中1 9 2 k 字节单周期单访问r a m ( s a p a m ) , 6 4 k 单周期双访问r a m ( d a r a m ) , 3 2 k 字节的r o m , 其中d a r a m 的合适使用，可以加快指令运行周期。外部存储空间扩展可以支持多种存储器 类型。 2 . 2 . 4 c 5 5 0 9 的低功耗特点 c 5 5 0 9 在功耗管理方面采用两种方式来控制。一种是自 动控制。 c 5 5 0 9 对每一个执行部 件都采用一个独立的监视器来自 动控制供电情况，只有当监视器监测到本单元存在执行任 务时，刁 会向该部分供电，否则将该部件置为低功耗状态。另一种是用户控制。 c 5 5 0 9 提 供一个系统空闲寄存器。其中允许用户通过设置某一位来打开或关于某部件，比如4 5 5 0 9 的运行时不与外围设备打交道，则可以通过设置该寄存器，将周边设备的电源关闭，这样 第 9页 国 防 科 学 技 术 大 学 研 究 生 院 学 位 论 文 可以 进一 步降 低 功 耗。 c 5 5 x 含 有 指 令高 速 缓 存器 ( c a c h e ) 以 使 外 部 存 储 器访问 最 少， 改 善 数 据吞吐率和省电。 与前最省电的c 5 4 x 系列d s p 比较， c 5 5 0 9 d s p 的功耗可以进一步下降到c 5 4 x 的1 / 6 ，是达到业界功耗最低的d s p . 2 . 2 . 5 0 5 5 0 9 的结构与音频编解码的有效结合 对于音频编解码，关键的是c 5 5 0 9 的快速运算速度。峰值为4 0 0 m i p s 的运算完全可以 胜任此系统的音频编解码:多个 d m a 通道有利于音频数据流的快速输入输出交换，而不影 响d s p 的计算速度;音频编解码所需存储容量为1 5 k 字左右，d s p 本身有2 5 6 k 字节r a m , 所以不用增加外部存储器。总之，采用一片c 5 5 0 9 就可以完成g . 7 2 3 . 1 音频编解码。而且 外部通信接g可以扩展，如可接上a d s l 设备，或以太网控制器等。 2 . 3 立体声音频编码芯片t l v 3 2 0 a i c 2 3 的应用 2 . 3 . 1 芯片 简介 t l v 3 2 0 a i c 2 少1 是一种高性能立 体声 音频编解码芯片并且高 度集成了 模拟电 路功能。 t l v 3 2 0 a i c 2 3中的模数与数模转换器使用了多比特 s 馆m a - d e l t a 工艺并在内部集成了高采 样率的数字内 插滤波器。 数字传输字长可以 是1 6 , 2 0 , 2 4 , 3 2 b i t ， 并支持采样率从8 k h z 到9 6