（检测技术与自动化装置专业论文）语音信号增强及端点检测的dsp应用系统设计.pdf

摘要 论文题目： 语音信号增强及端点检测的d s p 应用系统设计 学科，专业：检测技术与自动化装置 研究生姓名：崔志栋 导师姓名：李英 摘要 近年来随着语音识别理论研究的深入和数字信号处理软、硬件技术的发展，语音识 别技术应用的研究越来越受到人们的关注。语音增强与端点检测在语音识别中占有重要 地位。本文设计并实现了一种基于d s p 的语音增强和端点检测系统。 文中首先对语音识别技术研究与应用的历史和现状做了必要的介绍，对现有的语音 增强与端点检测算法进行了分析比较，选择自适应滤波法对语音信号进行增强；选择双 门限比较法对其进行端点检测，该算法的基本原理是基于短时能量和过零率，采用了双 门限则进一步保证了检测的可靠性；并根据系统实时性要求，选择了t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 作 为系统核心处理芯片，重点介绍了其工作原理与应用特性。同时进行了相关芯片的选型 工作，从而构成一个实用的语音信号处理平台，实现了语音信号输入、a d 转换、自适 应处理、端点检测处理、d a 转换、语音输出等要求。论文中详细阐述了系统的构成， 分析了工作过程，设计了系统应用程序，采用c 语言实现了算法的功能，最后在d s p 系 统上进行了调试，实验证明所设计系统具有很好的实用性和实时性。 关键词：d s p ；语音增强；端点检测；自适应 a b s t r a e t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs p e e c hr e c o g n i t i o nt e c h n i q u ea n dt h es o f ta n dh a r d w a r ef o rd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gi nr e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho fs p e e c hr e c o g n i t i o na n dc o n t r o ls y s t e mh a v e b e e nm o r ea n dm o r ea t t e n d e d s p e e c he n h a n c e m e n ta n d 即d p o i n td e t e c t i o np l a y 锄i m p o r t a n t r o l ei ns p e e c hr e c o g n i t i o n t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sak i n do fp r a c t i c a lf o rs p e e c h s i g n a le n h a n c e m e n ta n de n p o i n td e t e c t i o ns y e t e mb a s e do nt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 i nt h ep a p e r , t h eh i s t o r ya n dt h ec u r r e n ts t a t u so ft h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fs p e e c h r e c o g n i t i o nt e c h n i q u ei n t r o d u c e db r i e f r y , t h r o g hc o m p a r i n ge x i s t i n ga l g o r i t h mo fs p e e c hs i g n a l e n h a n c e m e n ta n de n p o i n td e c t i o n t h ea d a p t i v ef i l t e ri su s e dt oe n h a n c e ds p e e c hs i g n a l ，a n d d o u b l e - - t h r e s h o l dc o m p a r i s o nb a s e do ns h o r t t i m ee n e r g ya n dz e r oc r o s s i n gr a t ei su s e dt o d e t e c t e de n p o i n t f o l l o w i n gt h en e e do fr e a l t i m es y s t e m ，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2i s u s e da ss y s t e m s c o r ep r o c e s s i n gu n i t e l u c i d a t i n gi t so p e r a t i n gp r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o nf e a t u r eo ft h es y s t e m ， c o o p e r a t e d 谢mo t h e rc o r r e l a t i n gc h i p st oc o n s t r u c ts p e e c hs i g n a lp r o c e s s i n gs y e t e m ，a n d r e a l i s i n gs p e e c hi n p u t ，a dc o n v e r s i o n , a d a p t i v et r e a t m e n t ，e n d p o i n td e t e c t i o n ，d ac o n v e r s i o n a n ds p e e c ho u t p u t i nt h ep a p e rt h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo ft h es y e t e mi sg i v e na n d t h e o p e r a t i n gp r o c e s si sa n a l y z e d ，t h es y s t e ma p p l i c a t i o nc o d ei sw r i t t e n 州廿lc ，a n dd e b u g g e do n c c s3 1 t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e s i g n e ds y s t e mm e e t st h ec o m m a n do fr e a l t i m ea n d p r a c t i c a b i l i t y k e y w o r d s ：d s p ；s p e e c hs i g n a le n h a n c e m e n t ；e n d p o i n td e t e c t i o n ；a d a p t i v e h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是芩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或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南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：雀，忘搏 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学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，允许论文被查阅乖借阅，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，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签名： 导师签名： 雀志标 期：铷。件3 月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出 语言是人类在漫长的进化过程中逐渐形成的一种相互交流和沟通信息的方式。通过 语音信号可方便地实现通信、存储等功能。语音信号处理从学科研究的方面来说主要有 四个分支：语音识别、语音合成、语音编码传输和说话人识别。 语音信号的处理和识别是利用计算机对语音信号进行分析和综合，从而实现人类语 音的自动理解和处理。上世纪中期，在信息革命浪潮的推动下，人们对信息的需求日益 增长，对信息处理的速度和方式提出了更新更高的要求，随着计算机处理和存储信息能 力的不断增强，如何将信息以最自然、最方便、最有效的方式( 如语音方式) 送入计算 机进行处理、传输，已成为人们亟待解决的问题。而语音数字信号处理正是其中一项至 关重要的应用技术。语音数字信号处理是一门涉及而很广的交叉学科，其研究领域涉及 到信号处理、人工智能、模式识别、数理统计、神经生理学和语言学等许多学科。语音 信号处理技术从理论的研究到产品的开发已经进行了几十年并且已经取得了很大的进 步。如在数字话音通信、自动语音翻译、声控手机拨号和多媒体信息处理等许多方面都 有常重要的应用。 语音信号处理算法实时实现主要由两方面组成。一是优化的算法，二是与算法密切 相关的芯片技术。信号处理的发展随着时代的进步而进步，信号处理总是给芯片制造提 出新的要求，芯片制造水平的提高反过来又推动信号处理向新的台阶发展。 语音信号处理的算法尽管能在任何处理器上实现，然而并不是所有处理器都能够快 速有效的完成这些任务。只有在专门的数字信号处理器( 简称d s p s ) 才能获得最大的 速度和效率。世界上第一个单片d s p 处理器是1 9 7 8 年a m i 公司研制成功的$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑。这两种 处理器内部都没有现代d s p 处理器所必须的单周期处理器。1 9 8 0 年n e c 公司推出的 p d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 处理器。第一个采用c m o s 工艺生产浮点d s p 处 理器的是h i t a c h i 公司，它于1 9 8 2 年推出了浮点d s p 处理器。第一个高性能的浮点d s p 处理器应是a t & t 公司于1 9 8 4 年推出的d s p 3 2 。自8 0 年代以来，d s p s 发展突飞猛进。 d s p s 运算的速度和计算能力，已经达到实时信号处理的要求。实时( r e a lt i m e ) 是指在 实际运算中，输出的速度跟得上采样点输入的速度。对于某些运算( 如滤波) ，这意味着 每当接收到一次新的输入采样点时，就能产生一个新的输出。在这么多的d s p 处理器种 类中，最成功的是美国德克萨斯仪器公司( t e x a si n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系列产 品。据最近报道，t i 新的t m 3 2 0 c 6 4x 的运行速度己高达6 0 0 m h z ，指令执行速度为 4 8 0 0 m i p s ，足以和早期的高档微型机相比，而体积只有2 0 m m * 2 0 m m * 2 m m 大小。其内核的8 个功能单元能在每个周期同时执行4 组1 6 位m a c 运算或8 组8 位m a c 运算。单个c6 4 x d s p 芯片能同时完成一个信道的m p e g 4 视频编码，一个信道的m p e g 4 视频解码和一个 m p e g 2 视频解码，并仍有5 0 的余量留给多通道语音和数据编码。 过去许多只能在微型机上执行的处理算法，现在都可以移植到实际的d s p 系统中实 江南大学硕士学何论文 时执行。如何在d s p 系统上实现处理算法的移植高效运行，以及提出适合d s p 执行的算 法是目前应用研究的重点。 高性能的数字信号处理器的出现，软件和开发工具的完善，价格的大幅度下降，使 得d s p s 应用前景越来越广阔。目前d s p s 已经在许多领域取得了许多新的进展，广泛 应用于网络和互联网、高速调制解调器、无线通信、语音识别、音频、视频和影像产品、 机项盒、汽车、硬盘驱动器、工业控制及制造、雷达、声纳、地震检测、生物医学工程、 机械振动、航空航天、自动化仪器等h 儿6 j 。 本文主要研究了语音增强和端点检测在d s p 上的实现，并讨论了算法优化中若干参 数的选择。 1 2 国内外研究历史及现状 目前，语音信号处理技术已经取得重要进展。语音技术最早和最重要的一种应用是 h o m e rd u d l e y 在1 9 3 0 年发明的声码器，它是将语音提取参数后，传输语音的参数，然后 在接收端重新生成语音。它的发明中所孕育的伟大思想是对语音信号的建模。1 9 4 9 年贝 尔实验室的研究人员研制成功第一个电合成器。4 0 年代后期，研制成功了能够把语音信 号的时变谱用图形表示出来的仪器一语谱仪，为语音信号分析提供了一个有力的工具。 1 9 5 2 年d a v i s 等人研究成功了世界上第一个识别1 0 个英文数字发音的实验系统。1 9 6 0 年 f a n t 的著名论文“语音产生的声学理论的发表，它为建立语音信号数字模型奠定了基 础。1 9 6 0 年d e n e s 等人研究成功了第一个计算机语音识别系统。这样，出现了第一台以 数字计算机为基础的孤立词语音识别器，继而又研制出第一台有限连续语音识别器。 进入，7 0 年代，语音技术取得了许多实质上的进展：( 1 ) 用于语音信号的信息压缩 和特征提取的线型预测分析方法；( 2 ) 用于以线性预测编码表示语音参数时相似度测量 的线性预测残差；( 3 ) 用于输入语音与参考样本之间时间匹配的动态规划方法；( 4 ) 一 种新的聚类分析的数据压缩编码的矢量量化方法等。 在7 0 年代，语音技术的产品首次进入商品市场。1 9 7 6 年v o t r a x 公司推出一个产品 m l - 1 语音合成器。1 9 7 8 年夏，t i 公司首次推出单片语音合成器，型号t m c 0 2 8 0 ，它采 用超大规模集成电路技术。 进入8 0 年代，国外对语音技术的研究和开发更加活跃。至今，国外为语音技术而 开发了很多专用的语音合成芯片，如u m 5 1 0 1 ，u m 5 1 0 0 ，l h 一2 5 0 ，t 6 6 6 8 ，i s d 3 3 0 0 0 等。9 0 年代，国外许多研究机构都研制出许多语音识别系统，已经基本上达到了实用阶段。其 中，孤立词，小词汇量的语音识别系统和中大词汇量的语音识别系统的识别性能已经相 当可观。如：i b m 公司的t a n g o r a 5 0 0 0 和2 0 0 0 0 词汇识别系统，已分别达到了9 7 1 和9 4 6 的识别率。a t & tb e l l 实验室的音素识别系统，识别率为9 9 6 。d r a g o nd i c t a t e 的2 0 0 0 0 及7 0 0 0 0 词汇翻译系统，识别率分别达到了9 0 和8 0 。 国内的研究较之国外起步较晚，主要的研究单位有清华大学、中科院声学所和西安 电子科技大学等单位。无限词汇汉语听写机首先由清华大学于1 9 8 8 年研制成功，四达 公司等单位在9 0 年代初使之产品化、商品化。中国电子器件工业与清华大学联合研制 开发的国家“8 6 3 一高科技项目“赛德9 1 9 汉语语音识别与理解系统”，亦达到了9 0 2 第一章绪论 的单音节识别率。台湾研制的“金声i 号 和“金声i i 号”语音识别系统，识别率分别 达到了8 9 和9 6 ，且能实时完成。但从目前的市场应用范围来看，语音产品的实际应 用还很狭窄，这说明语音技术产品还存在缺陷，达不到市场化、商品化的要求，在技术 上有许多工作要做。鉴于中国未来庞大的市场，国外也非常重视汉语语音识别的研究。 美国、新加坡等地聚集了一批来自大陆、台湾、香港等地的学者，研究成果己达到相当 高水平。国内在语音识别专用芯片的开发与研究方面起步较晚。比如清华大学“语音识 别专用芯片研究开发”课题，研究开发了国内第一个具有自主知识产权的语音识别专用 芯片的软件部分。该实验室是国内最早专门从事语音技术与专用芯片设计研究单位之 一。芯片能够识别约2 0 3 0 条特定人语音命令，同时具有语音合成( 提示) 与语音编解码 ( 回放) 功能。语音识别率达到9 8 以上。 到今天，虽然语音信号处理领域中还有许多关键问题尚未很好解决，但已经在很多 研究中取得了新的进展。经过长期持续不断的艰苦努力，必将取得更大的成果。 1 3 语音增强和端点检测的课题研究背景 1 3 1 语音增强 在日常生活中，人们经常受到各种噪声的干扰。例如，在有线电话、无线通信中的 回波是不可避免的。回波的存在严重影响了通信的质量。在电视电话系统中，由本地扩 声系统产生的声反馈引起的回音造成了再生混响，影响了语音的清晰度，严重时会产生 自激嚣叫，妨碍整个系统的正常工作。在街道、机场或其他公共场合使用电话，经常受 到很强的背景噪声的干扰，严重影响通话质量。背景噪声破坏了语音信号原有的声学模 型特征及模型参数，因此减弱了不同语音间的差别，使得语音质量下降，可懂度降低。 语音识别正在步入实用阶段。但目前的识别系统大都是在安静环境中工作的，在噪声环 境中尤其是强噪声环境，语音识别系统的识别率将受到严重影响，需要语音增强技术进 行预处理。数字电话中需要进行语音编码，在语音编码时，特别是参数编码，由于语音 生成模型是低速率参数编码的基础，当模型参数的提取受到混杂在语音中的背景噪声严 重干扰时，重建语音的质量将急剧恶化，甚至变得完全不可懂。因此，语音增强对于语 音识别技术是十分重要的。 通常情况下，语音增强的主要目标是从带噪语音信号中提取尽可能纯净的原始语音 然而，由于干扰往往都是随机的，从带噪语音中提取完全纯净的语音几乎不可能。在这 种情况下，语音增强的目的主要有两个：一是改进语音质量，消除背景噪声，使听者乐 于接受，不感觉疲劳，这是一种主观度量；二是提高可懂度，这是一种客观度量。这两 个目的往往是不能兼得的。 语音增强不但与语音数字信号处理理论有关，还涉及到人的听觉感知和语音学。再 则，噪声来源众多，随场合而异，它们的特性也不同。所以很难找到一种通用的语音增 强算法，能够适应于各种噪声环境。因此，必须针对不同噪声，采取不同的语音增强方 法。 语音信号增强的典型方法有：频谱相减法、自适应噪声对消法以及基于语音信号模 型的语音增强法。近些年来，语音增强的研究工作有了一定的进展。适用于在带噪语音 江南大学硕士学位论文 信号采集过程中同时获得参考噪声源的自适应噪声对消技术，已日趋成熟。据专家报告： 在实验室环境中运用此技术增强带噪语音，信噪比s n r 有4 0 d b 左右的改善，在实际应 用中也有2 0 d b 左右的改善。对于带噪语音信号是唯一可获得的的语音增强工作，国内 外的学者也做了不少的研究，提出了多种方法。注意到语音信号中浊音的准周期性，人 们首先提出用梳妆滤波器加强周期性的语音而衰减非周期性的噪音。在自适应噪声抵消 的思想指导下发展了自适应的语音增强技术。估计带噪语音的a r 模型参数，就能够以 迭代的方式进行维纳滤波。目前在信号处理领域研究极为活跃的神经网络理论在语音增 强研究上也得到应用。此外，人们还尝试在进行语音增强时更多的考虑人耳的听觉特性。 尽管有众多的方法用于语音增强，但是它们都有各自的局限性，尤其对带噪语音信号是 唯一可获得的情况下的语音增强，特别地不尽人意。语音增强是- - 1 3 跨学科的技术，不 但与语音信号数字处理理论有关，而且涉及到人的听觉感知和语音学。再则，噪声来源 众多，随应用场合而异，它们的特性也各不相同。即使在实验室仿真条件下，也难以找 到一种通用的语音增强算法适应于各种噪声环境，必须针对不同环境的噪声，采取不同 的语音增强对策。 常用的语音增强的方法有：谱减法、梳状滤波器、维纳滤波法、自适应噪声抵消法。 谱减法是处理宽带噪声较为传统和有效的方法，主要思想是在假定加性噪声与短时 平稳的语音信号相互独立的条件下，从带噪语音的功率谱中减去噪声功率谱，从而得到 较为纯净的语音频谱。它的特点是易于实时实现，在实时的条件下能够很好的降低语音 噪声。实际中噪声的频谱服从高斯分布，噪声的帧功率谱变化范围很宽，在频域中的最 大、最小值之比往往达到几个数量级，而最大值与均值之比也达6 8 倍。因此，在减去 噪声谱后，会有较大的功率谱分量的剩余部分，在频谱上呈现随机出现的尖峰，在听觉 上形成残留噪声。这种噪声具有一定的节奏起伏感，称为“音乐噪声”。这是谱减法固 有的缺点。语音中的浊音部分能量很大，往往占据一段语音的大部分能量，同时它具有 明显的周期性。利用语音浊音的周期性，可进行梳状滤波。就频域而言，是保留基频及 其整数倍数的各谐波分量，抑制非谐波分量。各谐波之间的间隙基本上是噪声成分。只 要知道基频就可以把谐波之间的噪声成分完全滤掉。此方法的关键是需要正确的语音基 音周期参数。若周期参数估计不准确，增强效果会明显下降。当信噪比不高时，准确地 估计语音的基音周期以及及时跟踪基音变化变得非常困难，所以本方法只能在信噪比较 高( 2 0 d b ) 时使用。 维纳滤波法不仅用到了噪声的统计知识，还用到了部分语音知识，但显然这些知识 都是一种近似的代替。当噪声不是白噪声时，按照语音的产生模型就很难准确预测语音 参数。因此对有色噪声维纳滤波法就很难应付。由此可以看出采用这种方法来提高语音 信噪比和可懂度效果十分有限。特别是在噪声比较强的情况下估计的全极点模型参数误 差明显增大，而如果使用迭代方法，计算结果能够有所改进，但仍然存在较大误差，且 计算量比较大n 5 】 7 1 。 1 3 2 端点检测 语音信号的端点检测技术其目的就是从包含语音的段信号中准确地确定语音的 4 第一章绪论 起始点和终止点，区分语音和非语音信号，它是语音处理技术中的一个重要方面。不进 行端点检测就无法对语音信号进行识别。所以进行有效的端点检测是语音信号处理中首 先要解决的问题。有效的端点检测技术不仅能在语音识别系统中减少数据的采集量，节 约处理时间，还能排除无声段或噪声段的干扰，提高语音识别系统的性能。研究表明， 即使在安静环境下语音识别系统中一半以上的识别错误都是因为语音信号端点检测的 不准确所造成的，端点检测的准确性甚至在某种程度上直接决定了整个语音识别系统的 成败，没有足够准确的端点检测( 尤其是起始点) ，就无法获取代表语音特征的各参数隋1 。 端点检测不仅在语音识别中显得重要，而且在语音编码中还能降低噪声和静音段的比特 率，提高编码效率。语音端点检测和语音增强不同，语音增强的目的是在语音和干扰中 增强语音部分，同时抑制干扰，语音端点检测的重点在于区分语音和非语音信号，可以 作为语音处理系统的预处理瞳。语音就是我们平常用来交流的说话声，非语音是除语音 之外的一切声音。非语音的范围很广泛，包括音乐、各种噪声和各种各样的鸣叫声等。 语音信号端点检测一般包括以下几个步骤： ( 1 ) 将采样信号分割成相邻且有重叠的信号帧； ( 2 ) 对每一帧信号选取并计算一种特征向量； ( 3 ) 根据对应于信号的特征向量序列，利用一定的判决准则，得到语音段和非语音 段的判断； ( 4 ) 对第( 3 ) 步的判断结果作后处理得到语音的起始点和终止点，即得到语音检 测的结果。后处理过程是为了避免把人在发声过程中出现的自然停顿当作背景噪声。这 些停顿包括句子内的停顿，还包括一个词甚至一个音素内的发音间歇。 第二章d s p 戍片】系统硬件设计 第二章d s p 应用系统硬件设计 本系统要完成对语音信号的增强并其进行端点检测，系统硬件主要由数字信号处理 器、a d 与d a 转换芯片、可编程器件( c p l d ) 、外围扩展存储器件、时钟发生器、电源 模块等组成。系统的框图如下： 图2 1d s p 系统硬件结构 f i g 2 - 1s t r u c t u r eo f d s ps y e t e m 2 1d s p 芯片的特征 1 、 哈佛结构 微处理器的存储器结构分为两大类：冯诺依曼结构和哈佛结构。哈佛结构的主要特 点是将程序和数掘存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独 立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应，系统中设置了两 条总线：程序总线和数据总线，大大提高了数据的吞吐率。而冯诺依曼结构则将指令、 数据和地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提供的地址来区分是指令、 数据还是地址。因为取指令和取数据都访问统一存储器，数据吞吐率低。 在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间中，因此取指和指令执行 能完全重叠运行，同时还允许在程序空间和数据空间之间相互传递数据。为了进一步提 高运行速度和灵活性，t m s 3 2 0 系列d s p 处理器在基本哈佛结构的基础上作了改进，一是 允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二 是指令存储在高速缓冲器( c a c h e ) 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指 令，节约了1 个指令周期。 2 、流水线操作 d s p 芯片广泛采用流水线，以减少指令执行周期。t m s 3 2 0 系y u d s p 处理器流水线深 度从2 到6 级不等。t m s 3 2 0 c 5 4 x 采用的是6 级流水线。这6 级流水线是彼此独立的，允许 指令的重叠执行。在任何一个机器周期内，可以有6 条不同的指令在同时工作，每条指 令可工作在流水线的不同阶段。这6 级流水线结构的功能如下：程序预取指、程序取指、 译码、寻址、读操作数和执行。只是当中断产生时，处于各级流水线上的指令才作废， 重新开始新的流水操作。因此，流水线操作使d s p 芯片的执行具有高效性。 3 、专用的乘法器 江南大学硕士学位论文 对语音信号处理时，需要进行大量的乘法和加法运算。乘法的速度越快、d s p 处理 器的性能就越高，系统的实时性就越好。在t m s 3 2 0 系列中，由于具有专用的硬件乘法 器，乘法可以在一个指令周期内完成，并使用累加器寄存器处理多个乘积的累加，大大 加快了运算速度。而在通用微处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，故一个乘 法指令需要多个运算周期才能完成。 4 、特殊的d s p 指令 d s p 芯片中有大量的特殊指令，加快了信号处理的速度。d s p 指令的主要特点是： 可方便的使用单指令重复和块指令重复；用于更好的管理程序存储器和数据存储器的块 移动指令；3 2 位长整数操作指令；同时读取2 到3 个操作数；条件保存指令；快速中断返 回。 5 、快速的指令周期 哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的d s p 指令再加上集成电路的优 化设计，可使d s p 芯片的指令周期达n 2 0 n s 以下。 正是由于d s p 具有上面所述的的特性，使d s p 芯片非常适合于实时的信号处理也正是 这种优越性，使d s p 成为连接数字世界的关键所在m 1 。 2 2d s p 系统的开发流程 各个d s p 系统的设计流程和设计内容根据具体要求会有很大的不同。复杂的d s p 设计 可以包括前端模拟电路接口和与其它数字设备的数字接口，可能需要在设计前进行算法 的仿真和分析；简单的d s p 设计只包括数字信息的处理。有的d s p 系统要求设计者设计开 发出完整的软件、硬件，而有的d s p 系统借助于厂商提供的通用硬件平台和软件开发环 境，只需编写一些简单的应用软件即可。 图2 2 表示了一般的d s p 系统设计过程。对于给定的应用，首先要完成对d s p 系统规 范，诸如系统要求、信号分析、资源分析和构造分析等理论方面的研究，以便定义系统 要求。确定好系统性能要求后，接下来要进行算法模拟。在算法模拟研究阶段，一般借 助于高级d s p - v 具如m a t l a b 或c c + + 开展工作，这样就可以在算法层次上进行仿真，验证 算法能否满足系统的性能指标，然后从多种信号处理算法中找出最佳或准最佳算法。接 下来就是d s p 的系统设计了，主要分为硬件设计和软件设计。硬件设计是指根据系统要 求选择合适的d s p 芯片，然后设计相应的外围电路。在大量应用的情况下，应该选择能 完成任务的便宜的器件。在少量到中等用量的应用情况下，在开发时间、开发工具费用 和d s p 器件本身费用之间，存在一种折衷方案。软件设计主要是指根据系统的要求和选 用的d s p 芯片编写相应的程序。在开发d s p 系统的软件时，有两种常用的方法：采用汇编 程序或者采用c c + + 程序。汇编语言的最大优点是代码效率高，但不便于维护，开发周 期长。采用c c + + 语言编程具有开发周期短、可读性强、可移植性强、便于维护等优点。 在实际系统开发时往往是两种语言结合编写，在算法运算量大的地方使用汇编语言，在 运算量小的地方使用c 语言，这样既能缩短软件的开发周期，提高程序的可读性和可移 至性，又满足了系统的实时性要求。混合编程一般以c c + + 语言为主。整个程序由c c + + 语言控制，一个汇编程序可以以函数形式被调用，也可以联机编写成c c + + 程序汹瑚1 。 第二章d s p 应用系统硬件设计 图2 2d s p , 系统设计过程 f i g 2 - 2 t h ep r o c e s so f d e si g nd s ps y e t e m 2 3d s p 芯片的选择 设计d s p 应用系统，选择d s p 芯片是首要的一个环节。只有选定了d s p 芯片，才能 进一步设计其外围电路及系统的其他电路。不同的d s p 应用系统由于应用场合和应用目 的等不尽相同，对d s p 芯片的选择也是不同的。目前，美国t i 公司的主流d s p 有三种系列： t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列的d s p 是控 制用的d s p ，其片内r a m 较小，速度相对来说较低，主要用途是工业自动化、数字马达控 制等领域；t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列是一种低功耗高性能1 6 位定点d s p ，速度为4 0 m i p s 一4 0 0 m i p s ，主要用途是有线和无线通信、i p 、便携式信息系统、寻呼机等；t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列主 要用于无线基站、中心局交换机、图像处理等领域。现有的语音处理系统绝大部分都是 采用t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系歹i j d s p 芯片。一般来说，d s p 芯片选择时应考虑以下几方面因素： l 、d s p 芯片的运算速度。 运算速度是d s p 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择d s p 芯片时所需要考虑的 一个主要因素。 2 、d s p 芯片的运算精度。 一般的浮点d s p 运算精度要高于定点d s p ，但耗电量和价格也随之增加。一般定点 d s p 芯片的字长为1 6 位或2 4 位，浮点字长为3 2 位。运算精度是个折中问题，需要在算法 确定阶段予以认真考虑。 3 、d s p 芯片的价格。 根据实际的应用情况，确定一个价格适中的d s p 芯片。 4 、d s p 芯片的硬件资源。 这是指总线结构、直接存储器存取( d m a ) 、i o 总线结构是否便于连接，片内、片 9 江南大学硕+ 学位论文 外存储器容量大小等。 5 、d s p 芯片的开发工具。 快捷、方便的开发工具和完善的软件支持是开发大型、复杂d s p 系统的必备条件。 d s p 应用系统的运算量是确定选用处理能力多大的d s p 芯片的基础。运算量小则可以 选用处理能力不是很强的d s p 芯片，从而可以降低系统成本。相反，运算量大的d s p 系统 则必须选用处理能力强的d s p 芯片，如果d s p 芯片的处理能力达不到系统的要求，则必须 用多个d s p 芯片并行处理。考虑两种情况来确定d s p 系统的运算量以选择d s p 芯片： 1 、按样点处理 所谓按样点处理就是d s p 算法对每一个输入样点循环一次。数字滤波就是这种情况。 在数字滤波器中，通常需要对每一个输入样点计算一次。例如，一个采用l m s 算法的2 5 6 抽头的自适应f i r 滤波器，假定每个抽头的计算需要3 个m a c 周期，贝i j 2 5 6 抽头计算需要 2 5 6 x 3 = 7 6 8 个m a c 周期。如果采样频率为8 k h z ，即样点之间的间隔为1 2 5 u s ，d s p 芯片的 m a c 周期为l o n s ，贝u 7 6 8 个m a c 周期需要1 5 3 6 u s 的时间，显然无法实时处理，需要选用速 度更高的d s p 芯片。 2 、按帧处理 许多语音信号处理算法不是每个输入样点循环一次，而是每隔一定的时间间隔( 通 常称为帧) 循环一次。所以，选择d s p 芯片时应该比较一帧内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。 根据以上的选择标准，t i 公司推出的5 4 系3 i u d s p 就成为本系统的首选芯片。该系列 芯片的处理速度为1 0 0 m i p s 。单条指令执行时间l o n s ，基本满足实时的语 音处理要求。而且价格低廉，功耗小，开发工具方便简捷。 表2 - 1c 5 4 系列基本配置 t a b 2 - 1b a s i cc o n f i go fc 5 4 片内r a m片r o m 型号指令周期 工作电压v 串口 m c b s ph p i kk c 5 4 1 2 0 2 s 5 0 3 352 8 2 个标准口 c 5 4 22 0 2 5 5 0 3 31o21 个t d m 口1 c 5 4 3 2 0 2 5 3 31 o21 个t d m 口 c 5 4 51 5 2 0 2 53 3 64 8 1 个标准口1 c 5 4 62 0 2 5 3 364 8 1 个标准口 c 5 4 8 1 5 2 0 3 33 221 个t d m 口1 c 5 4 9 1 0 1 53 3 2 5 ( 核) 3 21 6 1 个t d m 口1 c 5 4 0 2 1o3 3 1 8 ( 核) 1 6 4 16 2 1 c 5 4 0 41 0 3 3 1 5 ( 核) 1 6 6 4 31 c 5 4 0 91 0 3 3 1 5 ( 核) 3 2 1 6 31 c 5 4 1 61 o3 3 1 5 ( 核) 1 2 816 31 v c 5 4 0 2 具有运算速度快，内部存储空i 日j 大，外部接口性能好等优点。所以笔者选 1 0 第二章d s p 应用系统硬件设计 择了技术上比较先进，价格又较便宜的v c 5 4 0 2 作为硬件开发对象。下面介绍一下c 5 4 0 2 的硬件结构 2 4t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 芯片简介b 5 。3 们 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是为实现低功耗高性能而设计的1 6 位定点d s p 芯片，主要应用在通 信系统方面。t m s 3 2 0 c 5 4 x 具有相同的c p u 结构。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的硬件由以下模块 组成： 1 、中央处理单元( c p u ) 由于d s p 任务包含大量的乘法和累加操作，所以d s p 处理器使用专门的硬件来实现 单周期乘法，并使用累加器寄存器处理多个乘积的累加，而且几乎所有d s p 指令集都包 括有m a c 指令。 c 5 4 x 系列所有芯片c p u 都相同，可以进行高速并行计算和逻辑处理。c p u 包含下 列单元： ( 1 ) 4 0 b i t 算数逻辑单元( a l u ) ，包括一个4 0 b i t 的桶式移位器和两个独立的4 0 b i t 累加器。 ( 2 ) 1 7 b i t 并行乘法器和一个4 0 b i t 专用的加法器相结合可以在一个非并行指令周 期内完成一次乘加操作( m a c ) 。 ( 3 ) 比较、选择、存储单元( c s s u ) ，用于维特比算子的加法和比较选择。 ( 4 ) 两个地址产生器，包括八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元( a r a u ) 。 2 、内部总线结构 为了提高指令执行速度，d s p 采用程序存储器空间和数据存储器空间分开的哈佛结 构和多套地址、数据总线。哈佛结构是并行体系结构，程序和数据存在不同的存储器空 间，每个存储器空间独立编址，独立访问。因此，d s p 可以同时取指令和取操作数，还 允许在程序空间和数据空间之间相互传递数据。因此，可以在每个指令周期内产生两个 数据存储地址，大大提高了并行数据处理的速度。 v c 5 4 0 2 有八条1 6 b i t 总线，包括三条独立的数据存储器总线( c b 、d b 、e b ) ，负 责将片上的各个不同的部分相互连接，一条程序存储器总线，负责从程序存储器装载指 令码和立即操作数，以及四条地址总线( p a b ，c a b ，d a b ，e a b ) ，负责装载指令执 行所需要的地址。v c 5 4 0 2 还有一条双向的片上总线用于访问片上外设。这条总线轮流 使用d b 和e b 与c p u 连接 3 、特殊功能寄存器 v c 5 4 0 2 共有2 6 个特殊功能寄存器，用于对片内各功能模块进行控制、访问和其他 管理。这些寄存器位于一个具有特殊功能的c p u 映射存储区内。 v c 5 4 0 2 的特殊功能寄存器映射到在片上d r a m 的0 0 0 0 h - - 0 0 1 f h 单元。当寻址这 些寄存器时，不需要插入等待状态。 4 、存储器和i o 空间 存储区分为r a m 和r o m 。r a m 又分为d r a m ( 每个指令周期内进行两次存取操 作) 和s r a m ( 每个指令周期进行一次存储操作) 。d r a m 除了进行双操作，还可以当作 江南人学硕士学位论文 单操作使用。不同c 5 4 x 的r o m 容量有不同配置。不同c 5 4 x 的d r a m 和s r a m 的容 量、存储速度也不同。c 5 4 0 2 片内有1 6 k 的d r a m ，4 k 已经固化的r o m 。存储区是 存贮程序和数据的，既可以分布在片内，又可以在片外。一般，程序空间定位在r o m 中，数据空间定位在r a m 中。但数据空间不一定只定位在r a m 中，也可以在r o m 中。 通过不同配置可以将数据空间映射到r o m 中。程序空间也不一定只在r o m 中，也定 位在r a m 中。当运行程序时，可以用自动加载的方法将程序载入片内快速d r a m 中， 提高运行效率。一般来说，在实时性要求很高的应用系统中，应尽量将程序和数据存放 在内部物理存储区中，而且尽可能的将数据区定义在内部双访问r a m ( d r a m ) 中。 对片内物理存储器的访问是通过访问映射存储器来实现的，也就是说，片内物理存 储器必须被映射到映射存储器上才能被访问。d s p 系统的映射存储器分为三块区域，分 别称为程序区、数据区和i 0 区。程序区用于装载程序指令和系数表，它存放执行指令 使用的数据；i 0 区则为外部设备提供了一个存储映象接口，并且还可以作为附加的数 据存储空间使用。一般来说，i 0 区是片外资源，访问空间大小为6 4 k 卑1 6 b i t ；数据区可 以为片上存储区映射的，也可以是片外存储器映射的，或兼而有之，访问空间大小也是 6 4 k * 1 6 b i t ，而且，这两个区域常常是不能被扩展访问的。程序区分为基本程序区和扩展 程序区，显然是可以被扩展的。基本程序区的访问空间大小也是6 4 k * 1 6 b i t ，对于不同 的d s p 芯片，扩展能力不同。对于v c 5 4 0 2 最大可以访问6 4 k 字的数据空间，可以访 问i m 的程序空间。除了可以访问数据空间与程序空间外，c 5 4 x 还可以管理6 4 k 字i o 空间。 v c 5 4 0 2 的工作方式状态寄存器p m s t 提供了三个控制位：m p m c 、o v l y 和 d r o m ，用于在存储空间配置片内存储器。使用这三个控制位可以设置片内存储器是否 配置到存储空间，并且指定片内存储器是配置到程序存储空间还是数据存储空间。 5 、片内外设 c 5 4 x 的片内外设依据型号各有不同。v c 5 4 0 2 的外设具有如下特点： ( 1 ) 主机通信接口( h p i ) h p i 提供c 5 4 x 与主处理器之间通信的并行接口，实质是通过c 5 4 x d s p 的片内存储 器实现c 5 4 x 和主处理器之间的数据交换。不同型号的c 5 4 x 的h p i 功能和配置不同。 ( 2 ) 串行接口 c 5 4 x 的串行接口随器件的不同而不同，共有四种不同的串行接口：标准同步串行 接口( s p i ，s e r i a lp o r ti n t e r f a c e ) ，带缓冲的同步串行接1 3 ( b s p ，b u f f e r e ds e r r i a lp o r t ) ， 时分多路复用串行接口( t d m ，t i m e - d i v i s i o nm u l t i p l e x e d ) 和多通道缓冲串行接口 ( m c b s p ，m u l t i c h a n n n e lb u f f e rs e r i a lp o r t ) 。c 5 4 0 2 有两个多通道缓冲串行口。 ( 3 ) 定时器 v c 5 4 0 2 带有两个1 6 位定时器。这两个定时器电路的定时计数器在每一个c p u 时 钟周期后都会减1 ，每当计数器减至0 时就会产生一个定时中断。有一个专门的状态位 编程实现停止、重启动、复位和禁止。 ( 4 ) 直接存储器访问控制器( d m a ) 1 2 第二章d s p 应刚系统硬件设计 d m a 控制器不需要c p u 的参与，完成存储器映射区之间的数据传输。d m a 具有 6 个互相独立可编程的传