（微电子学与固体电子学专业论文）语音编码中线性预测算法的asic实现.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 近年来，箍着人类社会信息化进程的加快，语音编码技术也正在迅速发 展，在移动通信、卫星通信和i p 电话通信中得到了广泛的应用。线性预测编 码( l i n e a rp r e d i c t i v ec o d i n g ，简称l p c ) 是现代语音编码的主流技术之。 本文完成了语音编码中线性预测算法的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e d c i r c u i t s ) 设计。 论文首先对l p c 算法进行分析和研究，根据l p c 的算法流程进行硬件 模块划分和功能定义，然后用r t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) 硬件描述语言 v e r i l o g 对各个模块进行设计和功能仿真，验证硬件电路设计的正确性和计算 结果的准确性，并用综合工具将其实现。各个模块设计完成之后，再进行l p c 系统模块的设计、功能仿真和综合实现。其主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 详细研究l p c 算法的原理与解法，根据l p c 的算法流程进行l p c 体系结构划分。在划分的时候，保证每个模块具有相对独立和完整的功能。 ( 2 ) 根据l p c 算法需要，设计和实现基本算术运算单元。l p c 算法离不 开一些基本的算术运算，因此在设计l p c 的各个功能模块之前，应先进行基 本算术运算单元的设计。这些基本算术运算单元主要包括：乘法器和除法器。 ( 3 ) 根据l p c 各个模块的功能和算法，设计实现方案，用r t l 硬件描述 语言v e r i l o g 实现。然后对各个模块进行功能仿真，利用综合工具进行综合 及优化。 ( 4 ) l p c 的各个功能模块设计完成之后，将其连接起来，进行l p c 系统 模块的设计、功能仿真、综合与优化。本论文中还用c 语言对l p c 算法进行 了算法仿真，并将其结果与a s i c 实现结果进行比较，用来验证a s i c 实现 l p c 算法的正确性和有效性。 关键词语音编码；线性预测编码；a s i c 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，s p e e c h c o d i n g h a s d e v e l o p e dr a p i d l y i th a s b e e nw i d e l yu s e di nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ， s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sa n di pt e l e p h o n y l p c ( l i n e a r p r e d i c t i v ec o d i n g ) i so n e o ft h em o s t p o p u l a rs p e e c hc o d i n gt e c h n o l o g i e s t h ea s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s ) o f t h el p ca l g o r i t h mh a s b e e n i m p l e m e n t e di nt h i st h e s i s a f t e rt h ea n a l y s i so ft h el p ca l g o r i t h m ，m o d u i ep a r t i t i o na n df u n c t i o n s p e c i f i c a t i o nh a sb e e nm a d ea c c o r d i n gt o t h el p ca l g o r i t h mf l o w , a n dt h e s e m o d u l e sh a v eb e e n d e s i g n e du s i n gr t l ( r e g i s t e rt r a n s f e rl e v e l ) h 盯d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g ev e r i l o g i no r d e rt ov e r i 每t h ef u n c t i o no f t h e s em o d u l e s ， s i m u l a t i o ni sd o n e a f t e r s i m u l a t i o n ，t h e s em o d u l e s a r es y n t h e s i z e db yt o o l s t h e f o l l o w i n gi st h em a i n c o n t e n t so f t h et h e s i s ： ( 1 ) a f t e rt h ed e t a i l e dr e s e a r c ho fl p c sp r i n c i p l ea n ds o l u t i o n ，t h el p c s y s t e ms t r u c t u r ew i l l b ed e f i n e da c c o r d i n gt h el p ca l g o r i t h m ，a n dt h el p c s y s t e mw i l lb es e p a r a t e di n t os o m em o d u l e s e v e r ym o d u l ei sp r o v i d e dw i t ha n i n d e p e n d e n t a n d i m e f a t e d f u n c t i o n ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fl p ca l g o r i t h m , t h eb a s i ca r i t h m e t i c u n i t sa g ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h eb a s i ca r i t h m e t i c o p e r a t i o n s u c ha s m u l t i p l i c a t i o n a n dd i v i s i o n ，i se s s e n t i a lt ot h el p ca l g o r i t h m ，s ob e f o r et h e d e s i g no f t h em o d u l e so f l p c ，t h eb a s i ca r i t h m e t i cu n i t s ，m u l t i p l i e ra n dd i v i d e r ， m u s tb ea c c o m p l i s h e d ( 3 ) t h el p cs y s t e m h a sb e e nd i v i d e di n t os o m em o d u l e s ，t h i st h e s i s i m p l e m e n t st h e s em o d u l e su s i n gr t lv e r i l o ga c c o r d i n gt ot h e s em o d u l e s f u n c t i o n t oa c h i e v eac o l t e c tr e s u l t ，t h er t ls i m u l a t i o na n ds y n t h e s i sm u s tb e p e r f o r m e d ( 4 ) t h el p cs y s t e mm o d u l ei sm a d eu po fa l ls u b m o d u l e so fl p cw h i c h h a sb e e na c c o m p l i s h e d ，i fl p c s y s t e mm o d u l eh a sb e e nc o m p l e t e d ，t h es y s t e m s i m u l a t i o na n ds y n t h e s i sm u s tb ep e r f o r m e d i nt h i st h e s i s ，s t a n d a r dci sa d o p t e d i nt h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o ni no r d e rt ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h e a s i c d e s i g n k e y w o r d ss p e e c hc o d i n g ，l p c ，a s i c 喑尔滨工业太学工学硕士学位论文 算糕鬯篁皇曹皇_ 皇量邕群燃瓣笪量曼暑墨$ 群黛姑_ 皇_ - e 曼寰墨量篇鼎黼_ 曼曼蟹i i i i 一一 i i 第l 章绪论 i i 研究的霸的和意义及课题来源 近年来，黻着人类社会信息纯进程酌加快，语音编码技术襻到了迅速发 展，在移动通信、卫星通信和碑电话通信中得到了广泛的应用i l i 。除此之外， 谶音编码技术也广泛应用谯语音邮件、网络通信、移赌，检索、公按电话群路 系统等矮壤。葵孛健表稳语音壤褥舞法有莺舔彀信联显( i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，简称i t u ) 发布的g 7 2 9 、g 7 2 8 、g 7 2 3 1 和g 7 2 2 2 镣。 瑰投孛低速率语音编璐体裁圭要淞着嚣令方囱发漫，繇线投疆测编码 ( l i n e a r p r e d i c t i v e c o d i n g ，简称l p c ) 移予带编码，淀意力都集中在高质量、 1 鼹码率、鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 好、绽碱时延恰当等宵蕊 2 1 。现在众多的语音 编码方法中采用线性预测缡鹤的屠多，线性预测编粥技术应用的熏为广泛。 夔羞语裔缡稻技寒懿零戆发震霸戎熬戳及大攘搂集残毫露按零瓣发震， 专用高速语苗依号处理薅许无论从设计方面还是生产方面，都远列了很高的 水平，得到了太量的应用，已经深入到了通讯、消赞类电子产品( 比如录音 繁、复读枫等) 中。但是内予嚣内i c ( h m g r a t e dc i r c u i t s ) 设诗技术与重终 瓣差距，这类蕊笄鑫前圭襄楚由国外避搿，鞋：如i n f m e o n 、a g e r e 、l s i l o g i c 、 a m c c 、p m c 、v i t e s s c 、a l e a t e l 等公司的专用芯片p 】。国内关予语音编码芯 片的研究大多是基于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s e r ) 的，还未发现宥人采用 a s | c 豹轰式突凌语音绩秘蕊片。嚣这爨d s p 主要是荚蓬霹公露懋产戆，其 价格相当昂爨，每片d s p 谯t o 美元以上。 鉴于目前这种状况，阁a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 设诗和实现线性预测编码，靛具有非鬻簸要的意义。本论文将就遂方葱磺究 羧拜工俸。 1 2 国内外在该方向的研究现状及分析 浯考编码葱片是语音缓辫搜零翦成熟【4 】秘大援模集残毫臻技术发曩豹共 鬻产物。随着大规模集成电路技术鲍发臌，复杂的疆啬编码技术褥以在单片 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 集成电路上实现。下灏分剐介绍谵裔编解玛投术和大壤模熊成电路的国内钤 现状。 1 2 1 语密编码技术 现代通信的重要标志是实现数字优，丽簧实现数字他酋先得把模拟信号 转变为数字信号，这种变换对语卷信号来说就怒语音编码。为了提高语街编 码和语卺信号数字传输的有效性，通常还要进行语音压缩编码。经过近= 二、 三+ 年豹努力，天稻程语音售号鹣嚣缭方嚣取褥了缀大瓣遗溪，援密谗洛多 多的压缩方法舻l ，其中的一些成为了国际和地隧的编码标准m 】。语音编码技 术有多种，归纳起来大致可分为三必：即波形编码、参量编码和混合编码。 ( 1 ) 波形编码波形编码是葶l | 熙攘襻和量凭道程来表示谬滤基号戆波澎， 使编码艏的语音信号与原始信号的波形尽可镌敬配，将时闻域信号直按变挟 为数字代码进行传输，也就是说这种编码是将语音信号作为一般的波形信号 来处理，力图保持重建的语音波形炀原语音信号波形一样。这种编码方式的 特熹楚邋瘦缝力强、猩袋裹玛率熬蓊提下获锝寒缓量懿滔豢镶号。英垄瓣渡 形编码肖；脉冲编码调制( p c m ) 、自适应增纛调制( a d m ) 、自适应麓分 编码( a d p c m ) 等。 ( 2 ) 参数编码人类发音器宫产生声音戆过凝可鞋用一令数学模型采遥 近，对该发声模型的参数避行编码传输称为参数编码。魏模裂可分成激釉和 声道两部分，对后者的逼近采用声错模型和共振峰模型两种，而共振峰横型 更为常用。至于激励部分，最简单的就是所谓的清浊音模型。这种方法的特 点是诗冀溪大，缡强速率蘸f l 。2 k b i t s 2 。4 k b i t s 或雯抵) ，蓬臻搴大，毽哭戆 达到合成语音的质量( a p 自然度、讲话者的可识别性都较差的语音) ，保真度 不高，并当码率提高刹与波形编码相当时，语鬻质量也不如波形编码。广泛 应用的l p c 技术就是典型的参数编码。 ( 3 ) 滋合编码滢念缡秘是波形编码和参数缡稻秀静系绫娩点豹结合。简 单声码器横型之所以食成语音质量不高，是将横趔激励过子简化为清浊街两 种，而混合编码对此鲑 亍了改进。这种编码器既屣各了参数编码的特点( 利用 语啻生成模壅提取港鹰参数) ，又爨簦7 渡形缀褥匏特点f 馋纯激聚售号，蠖 其与输入谬音波形榴艇配) ，同时述可利用感知加权最小均穷菠的准则使编码 器成为一个闭环优化的系统，从而柱较低的比特率上能获得较高的语音质凝。 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 例如，多脉冲激励线性预测编码( m u l t i p u l s e e x c i t a t i o n l p c ，简称 m p e l p c ) 、规则脉冲激励线性预测编码( r e g u l a rp u l s ee x c i t a t i o n l p c ，简称 r p e l p c ) 、码激励线性预测编码( c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ，简称 c e l p ) 、代数码激励线性预测编码( a l g e b r a i c c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ， 简称a c e l p ) 等都属于这一种，这种编码方式能在4 k b i t s1 6 k b i t s 的中低 编码速率上得到高质量的重建语音。基于其显著的优点，混合编码得到了广 泛的应用和研究。 7 0 年代以来，许多国际组织开发了很多高效实用的数字语音处理标准睁j 。 i t u 从1 9 7 2 年制定g 7 l l6 4 k b i f f sp c m 语音编码标准以来，相继又制定了一 系列的语音标准，比如基于l d c e l p ( l o wd w l a y c o d ee x c i t e dl i n e a r p r e d i c t i o n ) 算法的g 7 2 8 标准、基于c s a c e l p ( c o n j u g a t es t r u c t u r e a l g e b r a i c c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 算法的g 7 2 9 标准、基于a c e l p 算法的 g 7 2 3 1 标准、基于a m r - w b ( a d a p t i v e m u l t i r a t ew i d e b a n d ) 算法的g ，7 2 2 2 标准等。 1 2 2 集成电路的发展现状 日前，国际i c 业的主流工艺已经达到0 1 3 微米，技术与材料的前期研 发已经发展到o 0 7 微米的本平1 9 i 。 我国集成电路技术也已进入超大规模集成电路( v l s i ) 阶段，目前集成 电路的设计已从过去单纯的仿制走向了自行设计，我国能够自行设计和开发 o 1 8 微米、5 百万门级水平的集成电路，s o c ( s y s t e r m o i lc h i p - ) 已经成为当 今集成电路设计的发展方向【m 一2 1 。随着集成电路的复杂程度越来越高，集成 电路的设计已不能用传统的手段完成。现在集成电路的设计主要是通过e d a 工具辅助完成的，在e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 系统中，引入了 硬件描述语言，目前流行的硬件描述语言有v e r i l o gh d l 和v h d l 。在集成 电路设计还引入了行为综合和逻辑综合工具。经过十几年的发展，中国的集 成电路设计技术得到了长足的进步，虽然在s o c 软硬件协同设计、i p 核复用 和超深亚微米集成电路设计的关键技术i l 列上我们的发展水平还落后于国际 发展水平，但随着微电子产业投入的不断加大，我国的集成电路设计水平和 国际发展水平将越来越接近，差距将越来越小。 近几年，我国集成电路生产线技术水平不断提高，投资规模越来越大。 哈尔溟工业大学工学硕士学位论文 生产工艺已发展到深亚微米级，以华虹n e c 、中芯国际等为代表的芯片制造 企业已经分别具备8 英寸o 2 5 微米和0 1 8 微米的规模生产能力，正在朝着 纳米级方向发展。2 0 0 0 年6 月到2 0 0 2 年8 月两年间，我国i c 产业的投资总 额约3 0 0 亿元，相当于过去4 0 年的总和。2 0 0 0 年到2 0 0 3 年，国内新建、在 建和筹建的芯片生产线1 6 条。全国i c 设计公司数量翻了两番，已经达到4 0 0 家左右，收入过亿元的达7 8 家【1 4 】。 集成电路市场前景广阔，2 0 0 0 年我国集成电路销售量为2 3 2 亿块，其中 国内生产5 8 2 亿块( 1 8 6 2 亿元) ；2 0 0 1 年销售量为3 2 0 亿块，国内生产的 为5 0 6 亿块( 1 6 0 亿元) 。2 0 0 2 年，我国集成电路市场的总销售量为3 6 6 9 亿块，国内生产7 0 亿块( 2 0 0 亿元) 。集成电路“十五”规划目标，到2 0 0 5 年，全国集成电路产量要达到2 0 0 亿块，销售额达到6 0 0 亿8 0 0 亿元左右， 约占当时世界市场份额的2 3 ，满足国内市场5 0 的需求；到2 0 1 0 年， 全国集成电路产量要达到5 0 0 亿块，销售额要达到2 0 0 0 亿元左右，占当时世 界市场份额的5 ，满足国内市场5 0 * , 的需求。 虽然我国现在集成电路的设计和生产技术都有了很大的提高，但是在通 信用语音编码芯片上主要还是由国外进口。国内关于语音处理芯片的设计和 研究一般都是基于d s p 实现的l l ”，这些d s p 主要是美国t i 公司生产的，在 语音编码方面应用得较早的有t s p 5 0 c 1 系列，9 0 年代推出的m s p 5 0 c 3 系列也具有不错的语音编码效果，能够实现l p c 、m e l p 、c e l p 、a d p c m 等编码算法。c 6 0 0 0 是t i 公司推出的定浮点兼容的系列，定点系列为 t m s 3 2 0 c 6 2 x x ，利用这个定点系列可以实现第三代移动通信中a m r 声码 器。 4 啥尔滨工业太学工学硕士学缒论文 第2 章线性预测算法分析及模块划分 缓澎j 嗫溅分耩【描_ 8 1 是语音编璐最有效、簸流行的分褥技术之一。它的重 要性在于：它提供了组简洁的语音信号模型参数，这一组参数较精准的表 征了语静信号的频谱幅度，而分析它们所需的运算量相对来讲却并不大。应 矮这缀模鍪参数霹戳鬻抵缡霹语警缮号薅豹数旗搴，筵终，这霉孛参数逐霹璐 用来实现有效的语音合成。 本文的主要内容就是用a s i c 1 9 1 的方法实现线性预测算法。首先对线性 预测算法进幸亍研究，搬据线性预测冀法流程进褥体系结构的划分。这些划分 出来静模块吴有霸鼹獗立豹功能。然惹溪r t l 硬俘弦述语密v e r i l o g l 2 。1 避行 设计，并进行功能仿真i2 1 1 ，验证硬件电路设计的正确性和计辣结果的准确性， 最后用综合工具将其实现。 2 线性预测豹纂本原理 2 1 1 线性预测语裔产生模型 语巍信号裰邻榉患之蝇有缀强的相关性，砸默露过去懿棒点的线黢缀合 预溅未来静样点： 卫 i ( n ) = 芝：a l s ( n j ) ( 2 一1 ) 式孛碱疆溅嚣系数； p 预测器阶数； s f ) 语音信号 预测误差 口 8 ( ”) = s ( ”) _ i ( 栉) = s ( 卜q s ( n - o l = l 上式也可以写成 # s 汹= g ( 弹) + q s ( n - i ) 5 ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 啥尔滨工业大学_ _ 学硕士学位论文 i i 1 1 - p 1 这个式子可以解释成为信号8 ( ) 激励全极点滤波器l l l 一q z 。 得到 ，l l = j 的语音傣号s ( ， ) 。这阉人的语音发声过程正好吻合。气流放腌呼出后经过声 f 1 对受声带佟蘑，形袋激融气流，在经过盈羧、鼻整积嘴缎戏静声遭静纷鼹 而发出语音。从声门出来的气流相当于激励信号，而声道可以等效成一个全 极点滤波器，称为声邋滤波器或合成滤波器。 语骛售号模型扼逡程实嚣主要瓣决弱是搂蘩参数绩诗弱惩，隶癣镁溅系 数a ，使褥预测误差8 ( ”) 在某个预定的准则下最小，这个过程称之为线性预测 分析或线性预测编码。 2 1 。2 线性硬测编弼戆算法 语街信号是非平稳过程，是时变的，但是由于人的发酱器官的肌囱运动 速度较慢，所以语音信号可以认为飓局部平稳的，或短时平稳的。这样就可 以将乎稳过程懿处理方法窝理论琴l 入嚣语音襞譬夔短瓣处瀵，褥语啻信譬瓣 分析大大简化。线性溪铡编码正越簇于语音信号的这种短时平稳特性按横进 行的。 线毂预测编码的算法1 2 2 - 2 6 1 有：自槌关法、协方差法、斜格法和协方麓斜 终法等。经爽弱舞法露嚣耱：一怒翕糨关法，二楚滋方差法。奁本文孛实现 线性预测编码采用的魑自相关法。 自相荧法假定语酱信号序列s ( h 1 在间隔0 ”s n l 以外都是零，这相当 予有一纛隈长度豹傣弩被一窑日黪裁取。热窑褥台按棱进行努转翡要求，躲 认为语誊信号在一棱长度内可视为稳定酌随极倍号，餐对热窗处理后的信号 作自相关序列估计，鼹然会引进谈麓。特别是矩形窗函数时，相当于在频域 里引入了一个与之卷积的s i n c 函数，使得加窗截取后的信号频谱偏离了缀来 售号豹簇谱。瑟鞋瑾论主采爱了箕恁彩式戆警游密，镄魏蹬筏鬻等，效豢更 好些。但无论采用何种形状的窗口，截取的s ( n ) 总是不同予原来的信号了， 所以总会引入误差，这是自相关法本质性的缺点。 在爨裰关法中，爨提关序到髅诗定义为 羔 ，( ，) = s ( n ) s ( n 一，) ，0 茎j p ( 2 - 4 ) 5 咯尔滨工业大学一学硕士学位论文 ! ! ! ! ! ! ! ! ! s ! 自! ! ! ! ! 目| 目* ! ! ! ! ，! e ! ! 目s ! ! e ! s ! s # 女幽一 式中s ( 璃塞蠡数裁取豹语音售母； r ( ，) 自相关序列 求解出自相关序列r ( j ) 后，可以通过递推算法，蠼常用的熙荣文逊 挫宾( l e v i n s o n - d u r b i n ) 算法，求解线性预测系数。 2 2 线性预测算法流程爱其a s i c 实现模块划分 本文用a s i c 的方法设计硬件电路实现线性预测编码，设计参数参照的 鼹 弧j t 戆添音标准g 。7 2 2 。2 删。 对语音僚号进行线链预测分桥之前，首先进行颧处理。预处瑾的过程苞 括高通滤波和预加重。高邋滤波的作用魁去除不希黧存在的低频千扰【3 3 l ，其 截止频率是5 0 h z 。预加重的作用表现擞语音信号的频谱上的效粜就是高频提 舞，健荬交褥平逸，饔予滋行频谱分瓣域声遂参数分辑。对臻入瓣语音穰号 进行预处理之后，再对其按桢进行加窬处理，将加衡后的语音信譬进行自相 关计算，最聪利用莱文逊杜宾算法 m , 3 5 】计算线性预测系数。其主要算法 濂程掇圈2 - l 掰示。 赣入潺膏信号 i 瑗加簟 i l加豫 l自相关计算 l i 莱文避一戡襄舞法 输出线性鞭浏系数 嘲2 - 1 线性预测算法流程 f i g u r e2 - 1l p ca l g o r i t h mf l o w 7 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 2 1 高通滤波 线性预测编码输入的语音信号的采样率是1 2 8 k h z ，这个语音信号首先 要经过高通滤波处理，其作用是将5 0 h z 以下的频率滤除。完成此功能的高 通滤波器的系统函数如下所示 州加雩篙篇篓禳鬻些 口s ， 由公式( 2 5 ) 可得系统的差分方程为 y ( n ) = o 9 8 9 5 0 2 x ( n ) 一1 9 7 9 0 0 4 x ( n 1 ) + o 9 8 9 5 0 2 x ( n 一2 ) + 1 9 7 8 8 8 2 y ( n 1 ) 一0 9 7 9 9 1 2 6 y ( n 一2 ) ( 2 - 6 ) 为了防止在定点运算过程中溢出，可以将输入信号除以2 或者将输入信 号的系数除以2 。式( 2 6 ) 可改写为 _ y ( n ) = 0 4 9 4 7 5l x ( n ) 一0 9 8 9 5 0 2 x ( n 一1 ) + 0 4 9 4 7 5l x ( n 一2 ) + 1 9 7 8 8 8 2 y ( n 1 ) 一o 9 7 9 9 1 2 6 y ( n 一2 ) ( 2 - 7 ) 2 2 2 预加重 语音信号经过高通滤波后，进行预加重处理。预加重滤波器的系统函数 如下所示 h 。一。m ( 力= 1 一o 6 8 z 1 ( 2 - 8 ) 由公式( 2 8 、可得系统的输入序列与输出序列的关系表达式为 y ( n ) = x ( n ) 一o 6 8 x ( n 1 ) ( 2 - 9 ) 2 2 _ 3 加窗 经过预处理的语音信号就可以进行线性预测分析了，线性预测分析是基 于语音信号短时平稳理论的，需分段或分桢来进行处理。在g 7 2 2 2 标准中， 语音信号是以2 0 m s 为一桢，对语音信号按桢分段使用的是一个3 0 m s 的不对 称窗，因此在窗函数截取语音信号时，除了当前桢2 0 m s 的语音信号，同时 还截取了前一桢5 m s 的语音信号和后一桢5 m s 的语音信号。窗函数按桢截取 语音信号的示意图如图2 - 2 所示。 这个3 0 m s 的不对称窗的重心在第四子桢上，窗函数由两部分组成：第 一部分是半海明( h a m m i n g ) 窗，第二部分是海明一余弦( h a m m i n g c o s i n e ) 略尔溃工数大攀工学硕士学健论支 汹e n 1t r a m e nf r a m en + l lw i n d o w 抽gf r a m en 1 w i n d o w i n g 目m e n 鹜2 - 2 宓嚣嚣示意鬻 f i g u r e 2 - 2w i n d o ws k e t c hm a p 缀数謦溺熬蹒j f f z - - 。窑灏数公式鳃下： 呱啦= 0 5 4 - 0 4 6 c o s ( 器) ，舭 ”，l i - 1 弘( 撵一点1 ) l 一3 l 蒂j 式中磊= 2 5 6 ；厶= 1 2 8 。 2 ，2 。4 囱撩美量 算 语蓊蘩弩瓣密势壤之嚣，按羧滋褥蠡稳奖谤募，诗翼公蔑翔f ： ，( 詹) * j ( 一) s ( n - k ) ， 七；0 ，1 6( 2 一1 1 ) 袋串s 瀚燕巍添鹃落音舞譬，撑= 0 ，3 8 3 计舞趣米盼蠡稽激潆绷t o ) ，r ( 1 6 ) ，遴遗一麓遴窗佟6 0 h z 鲍带燕扩 展，延迟窗的表达式为： 萨e x 糍孕) 2 卜i = t , - - , 1 6 p 圆 上式中的厶= 6 0 h z 鼹扩展的带宽；正= 1 2 8 0 0 h z 是采样频率。自栩关 篆数r 霹 羹| j 豢瑷鑫臻声授蒸嚣子 。0 0 0 1 ，这等效燕了一个4 0 d b 瓣噪声下羧。 2 2 5 萦文逊械宾算法 褥劐带燕扩展的爨襁笑序列斌，潺避菜文逊杜宾算法墩解线性预测 系数。遥令冀法翡运舞步骧黧下： 每 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 e ( o ) = ，( o ) f o r ，= 1t o1 6d o k ，= 一如) 十：a ，o - i ) r f ( f 一) j ( f 1 ) 日j 。= k ， f o r j = 1t o i ld o ? = 日：”+ t 日等” e ( f ) = ( 1 一砰) e ( f 1 )( 2 一1 3 ) 上式中的，( o ) = 1 0 0 0 1 r ( o ) ，( f ) = ，( f ) ”k ( f ) ，口p 是i 阶预测器的第j 个 预测系数。e ( o 是最小预测误差能量，它是一个大于零的值，且随着预测器 阶数的增加而减少。k ，是反射系数，也称做部分相关( p a r c o r ) 系数，其 取值范围是一1 墨j 】 ，兰1 。经过上式的递推计算后，可以得到i = 1 ，2 ，1 6 各 阶的解，实际上，只需要i = 1 6 时的解，为了求得i = 1 6 时的解，必须求出i 1 6 各阶的解，最后求得的线性预测系数a ，= 。| 1 6 ) ，- ，= l ，1 6 。 2 2 6 模块划分 按照上述线性预测算法的步骤，用a s i c 实现线性预测算法可以分为五 个模块：高通滤波器、预加重滤波器、加窗模块、自相关模块和莱文逊一一 杜宾算法模块。高通滤波器模块主要是实现对语音信号的高通滤波处理：预 加重滤波器模块主要是将语音信号进行预加重处理；加窗模块是将语音信号 按桢分段，方便进行线性预测编码；自相关计算模块用来计算自相关序列， 并将自相关序列通过一延时窗进行6 0 h z 的带宽扩展；最后用莱文逊杜 宾算法模块求取线性预测系数。 2 3 本章小结 本章主要阐述了线性预测编码的基本原理及其解法，并根据线性预测编 码的算法流程进行a s i c 实现的模块划分，共划分为五个模块：高通滤波器、 预加重滤波器、加窗模块、自相关计算模块和莱文逊杜宾算法模块。 l o 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章基本算术运算单元的设计 线性预测编码离不开基本的算术运算，本章的主要内容就是基本算术运 算单元的设计，主要是乘法器和除法器【3 6 q 引。 3 1 乘法器的设计 在本课题中设计了一个3 2 位定点补码乘法器实现乘法运算。补码乘法的 算法有转换法、直接法、b o o t h 法【3 9 1 。转化法就是把补码转换为原码，使用 定点原码乘法，再将结果转换为补码。操作步骤复杂，一般不采用这种方法。 通常补码乘法的实现采用直接法或b o o t h 算法。直接法比较简单且通俗易懂， 本课题中3 2 位定点乘法器就是采用这种算法。 直接法的实现可以有阵列实现和迭代实现两种。在乘法手算时，将所有 乘积项( 被乘数与乘数中某一位的乘积) 全都算出来，最后一并作加。这在 硬件实现中称之为阵列实现，这种方式速度快、资源耗费大，主要应用在时 间要求较高的场合。也可以算出一乘积项，就加到乘积中，此时的积称作部 分积。手算时，乘积项与乘数相应位对齐( 即乘积项左移) ，加法运算宽度 与被乘数位宽相同，若硬件这样实现，比较困难。在硬件实现时，可以将部 分积右移，将部分积高部分与乘积项相加。这种实现方式称之为迭代，也称 为移位加方式。本课题中3 2 位定点乘法器就是用这种方法实现的。 3 1 1 补码乘法的实现方案 b 是被乘数，a 是乘数，当脉冲信号s t a r t u p 到来的时候，将被乘数b 和 乘数a 存入到寄存器r t b 和r t a 中，给出乘法运算使能信号m u l t ie n = “l ”， 开始进行乘法运算。运算过程中，将部分积右移，部分积高部分与乘积项相 加，和存于寄存器r t d 中，和与前次部分积低部分构成本次运算的结果( 部 分积) 。乘数寄存器r t a 中已用过的位可以舍弃，将其右移，这样可使下次 待用位始终处于最低位，简化了逻辑；其空处的高部分正好可以存放部分积 低位。部分积右移的位数由一个计数器c o u n t e r 来计算，当系统复位信号r e s e t 为低电平时，c o u n t e r 复位为0 。等到乘法运算开始，每算出一个部分积，将 c o u n t e r 自动加1 ，同时将寄存器r t d 和r t a 联合右移，如此反复计算，直到计 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i i 数器c o u n t e r 为5 b l11l1 ，将最后一个乘积项与部分积相加，得到乘法的结 果，计数器c o u n t e r 置0 。要注意的是，补码乘法中在对乘数最高位( 符号位) 计算时，如果最高位为1 ，需作( 相对于其它位是全作加的) 特殊操作一一 减，也就是部分积高位加上被乘数的补码。具体实现流程如图3 1 所示： l将乘数a 、被乘数b 存入寄存器n a 、曲，砌清零 lm u l t ie l l - i 否 忘：=i 鬲青 是 厂弋：型! ! 坐一 卜 遥纠 + l 眦+ n ，删il 砌+ o + 耐1 一l 、o u n a n t 联e r = 台c o 右u n 穆t e r + 位1 i l 卜匆 l 删+ n ( 丰 ) 一九d lin d + 0 一嘣l c o u n t e r = o m u l t ie n = 0 o v e r = l 图3 1 乘法器实现流程 f i g u r e3 - 1m u l t i p l i e r si m p l e m e n t i n gf l o w 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ! !。! 宣_ 詈鲁! ! 曼自置! s ! ! 皇i 置 ! ! 詈量_ 阜毫! ! 曼_ 穹! ! 篁詈拦暑曼! 皇置懵已皇皇- 穹詈墨 3 1 2 乘法器的硬件结构 在3 2 位定点补码乘法器的设计中，为了完成加法运算，调用了一个已设 计完成的4 0 位的加法器。除此之外，还采用了一个5 位计数器c o u n t e r 计算 乘数右移的位数。乘法器的硬件结构如图3 2 所示。 图3 - 2 乘法器硬件结构 f i g u r e3 - 2m u l t i p l i e r sh a f d w r l e s t r u c t u r e 乘法器的端口信号如图3 - 3 所示。 m u l t i p l i e r 图3 - 3 乘法器端口信号 f i g u r e3 - 3m u l t i p l i e r si n t e r f a c es i g n a l s 端口说明见表3 - 1 。 表3 - 1 乘法器的端口说明 t a b l e3 - 1i l l u m i n a t i o no f t h em u r i p l i e r si n t e r f a c e 端口名称输入输出描述 c l k输入 时钟信号 r e s e t 输入复位信号，低电平时，乘法器中的寄存器全部复位到 睹尔滨1 = 业大学工学硕士学位论文 “。” a输入乘鼗位宽是3 2 b 输入被乘数，位黼是3 2 s t a r t u p输入脉冲信号，警s t a r t u p = “l ”时，乘法嚣开始运算 。 赣窭获，錾宽怒6 4 0 v e t 输出乘法结柬艨冲信号 3 1 ，3 乘法器豹傍真 乘法器黪傍囊渡形如鼷3 - 4 繇示。 嫩 一j 1 肿门r l = 门卜厂l 一门n 门蔓l n 一、二厂寸了寸1 l【i 鼬蛳。厂：厂。l 冉参器盼= 二垂基匿二二二二二二! ) 遵西歪二二二二二二 i 瓣蠢= = 呕聋蕊 二二二二：= 逦亟匹二二二= j ：j 图3 4 乘浊器的仿真 f i g u r e3 - 4m u l t i # 溏 ss i m u l a t i o n 由图3 - 4 可以看出，当乘法开始信号s t a r t u p ；“l ”时，被聚数b 和乘数 a 被读入乘法器中开始避行移位、加越冀，当移彼、加运算完j 1 8 乏后，兵法器 缭鑫完袋踩浠繁号o v e r = “1 ”，鬻对给窭豢法结巢d 。黍法嚣凳成一凌黍法 运算需要3 5 个时钝褥麓。 3 2 除法器的设计 鬟莱文避轻宾葵法袋簿线鳇颓灏系数霹，需要窝臻法嚣癸璇3 2 霞定 点扑码除法溅算。补码除法一般分为饿复余数法和加减交替法l ，后者用的 1 4 哈尔滨工业大学上学硕士学位论文 较多，本文中的除法器采用的是加减交替法。 3 2 1 补码除法原理 补码除法其符号位和数值部分是一起参加运算的，主要解决三个问题： 如何确定商值、如何形成商符、如何获得新的余数。 ( 1 ) 商值的确定商值的确定必须先比较被除数 x 朴和除数 y ”的兀小， 比较的方法可以归纳为两点：第一，当被除数与除数同号时，做减法，若得 到的余数与除数同号，表示“够减”，否则表示“不够减”。第二，当被除 数与除数异号时，做加法，著得到的余数与除数异号，表示“够减”，否则 表示“不够减”。上商的方法如表3 2 所示。 表3 - 2 商的确定 t a b l e3 - 2q u o t i e n t sd e f i n i t i o n 【x 】* 与m * 商 【r b 与f y 】* 商值 同号，表示“够减”1 同号正 异号，表示4 不够减” 0 异号，表示“够减” o 异号负 同号，表示“不够减” 】 进一步简化，商值可直接由表3 - 3 确定。 表3 - 3 简化的商值确定 t a b l e3 - 3s i m p l i f i e dq u o t i e n t sd e f i n i t i o n 【r 】 与 y b 商值 同号1 异号0 商的最后一位采用“恒置1 ”的舍入规则。 ( 2 ) 商符的形成在补码除法中，商符是在求商的过程中形成的。 小数定点除法中，被除数的绝对值必须小于除数的绝对值。否则商大于 1 溢出。因此，当【x 】* 与【y 】同号时，【x 】* - y 】朴所得的余数必与 y h 异号，商 哈尔溱工她大学工学硕士学位论文 上“0 ”，恰好与商的符号( 正) 一致；当【x 】补与 y h 异号时，【x l , + 【y 】朴所得 的余数必与( y j 朴同号，商上“1 ”，这也与商的符号( 负) 一致。可见，商符 是在求商值过程中自动形成的。此外，商符还可用来判断商是否溢出。例如， 当 x 】* 与 y 1 仆同号时，若余数与【y 1 * 同号，上商“l ”，即溢出。当【x 】* 与 y 】扑 异号时，若余数与 y 】”异号，上商“0 ”，即溢出。 ( 3 ) 新余数 r i + l 】* 的获得新余数【r + 1 1 朴的获得方法规则是：当【r i _ i | - 与 y h 同号时，商上“i ”，新余数 r i + l j 朴= 2 j r 。】朴一 y j = 2 r i l + 【_ y 】扑；当( r i _ - 与 【y ) * 异号时，商上“o ”，新余数 r i + i 】褂= 2 r 】褂十【y 】* 。 3 2 2 补码除法器的实现方案 本课题中的除法器是3 2 位的定点补码除法器，被除数、除数和商的位宽 都是3 2 位。当脉冲信号s t a r t u p 到来的时候，将被除数和除数存入到寄存器 x 和y 中，并将寄存器q 清空，q 用来存放商值，同时给出信号c o m p =，_en 1 开始比较被除数和除数的大小。小数定点除法中，被除数的绝对值必须小于 除数的绝对值，因此在除法运算之前，必须比较被除数和除数的大小，比较 方法如3 2 ，i 所述。若被除数比除数大，将被除数右移一位至寄存器q 最高 位中，x 左边的最高位进行符号扩展，再次比较被除数和除数的大小，如果 仍不满足被除数小于除数，则继续将x 和q 联合右移，直到被除数小于除数 为止，计数器s h