（电路与系统专业论文）基于tms320c5410的4kbs散布脉冲celp语音编解码算法的实现.pdf

。，耋薹：三! 耋蠢耋三冀堡耋黧篁鎏基：。： 。， a b s t r a c t r e c e n t l y , i ti saf o c u st od e v e l o ps p e e c hp r o d u c t sw i t hd s pt e c h n o l o g yb a s e d o n s p e e c hc o m p r e s s i o n m e t h o d as p e e c hr e c o r d e ra n d p l a y e rs y s t e mb a s e do n 4 k b s d i s p e r s e d * p u l s ec e l p ( d p c e l p ) s p e e c hc o d i n ga l g o r i t k mi sb e i n gd e v e l o p e db y t e l e c o m m u n i c a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i n gl a bi nb j u ti ti st h ek e yo ft h ew h o l e s y s t e mt oh o w t oi m p l e m e n t c o r es p e e c hc o d i n ga l g o r i t h mi nd s p c h i p t h em a i n t a s ko ft h i st h e s i si st os t u d yt h ed p - c e l ps p e e c hc o d i n ga l g o r i t h ma n dc o n v e xt h e a n s icc o d e si n t ot m s 3 2 0 c 5 4 xa s s e m b l y l a n g u a g e ，t h e no p t i m i z et h e mf o r i m p l e m e n t a t i o no nu s b 5 4 xe v m ，w h i c hi sa l s ot h eb a s et od e v e l o pt h ew h o l e s y s t e m i nt h i st h e s i s ，ak i n do fd p c e l ps p e e c h c o d i n ga l g o r i t h m a t4 k b sw a s a d o p t e d d p c e l pw a sd i f f e r e n tf r o mm b e a d o p t e db yc o m m e r c i a ls p e e c hc o d i n gc h i p 。g ， a m b el o o o ) a n dn u tg7 2 9w h i c hw a sp o p u l a ri no t h e ra c a d e m e s d p c e l p w a sak i n do fl o wb i ts p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m i nd p c e l p , t h ee x c i t a t i o nw a s g e n e r a t e db ym e a n s o fc o n v o l u t i n gt h ea l g e b r a i cc o d ev e c t o rw i t haf i x e dd i s p e r s i o n p u l s e ，t 沁c o n s t r u c t e ds p e e c hq u a l i t yw a se f f i c i e n t l yi m p r o v e dw i t ht h i se x c i t a t i o n b u tt h es e a r c hc o m p l e x i t yf o ra l g e b r a i cc o d e b o o kw a sn o ti n c r e a s e d t m $ 3 2 0 c 5 4 1 0 f i x e dd s p c h i po f t ic o m p a n y w a s a d o p t e d a sc o r ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gc h i pi n t h i st h e s i s ，c a p a c i t yo f w h i c hi su pt o1 0 0 m i p s t h ev o e o d e rs o f t w a r ew a st e s t e ds u c c e s s f u l l yo ne v m t h e e x p e r i m e n tr e s u l t s s h o w e dt h a tt h es o f t w a r eo p t i m i z e dw a sr e d u c e dt o8 0 m i p si nc o m p l e x i t y , w h i c h c a nb er e a l t i m ei m p l e m e n t e d0 nt h et m s 3 2 0 c 5 4 10 劢。i n f o r m a ls u b j e c t i v et e s t r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es p e e c hq u a l i t yo ft h ed p * c e l ps p e e c hc o d i n ga l g o r i t h m i m p l e m e n t e d o nt h ef i x e d p o i n td s pi sc l o s et ot h a ti nc l a n g u a g e k e yw o r d s ：s p e e c hc o d i n g ，c o d e e x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ，d s pi m p l e m e n t a t i o n ， t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 一l l - 旃一章绪论 第一章绪论 语眷是人类交流信息的基本手段。琏着信慰科学技术匏飞速发展，语音处 理技术在最近2 0 多年中取得了重大进展。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 产品 及嵌入式技术的蘧勃发鼹推动了语音信譬处理产品的产业化，各种语音产品应 运而生，从实验室科研单位走入到社会、家庭，与我们的工作、生活越来越密 切相关。在各种语音信号数字处理产品中，语音记录和阐放系统有着广泛的应 翊前景，它主要应用在语音记录、话音档案、数字语音存储等领域。随麓计算 机性价比不断提离和应用的普及，由计算机管理的语音数字处理系统越来越受 到重视。 一套完整的添音记录靼回放焱统不但要具备语音信号的采集、存储和回放 功能，而且还要能完成复杂的语青信号编解码算法。通常要完成这些运簿量大 的算法，靠普通的p c 机的c p u 处理速度是很难保证算法实现的实时性，因此 必须采用高速的d s p 处瑗芯片完成算法豹算术遮算。 j 塞王业大学透信乓信号处理磅突室正在开发“基于4 k b s 教布脉冲 c e l p ( d p ，c e l p ) 语音编解码算法的d s p 实时语街记录和回放系统”。系统框图 冤。图1 1 。 图1 1 语音记最和回救系统框囤 。! ：，。：坠室三些奎兰! 三耋篓圭耋堡鎏圣 ：! ，：! 该系统采用模块化的设计方法，可分为：信号输入与输出、信号处理、控 制与显示、f l a s h 存储器、电源管理五个模块。 1 信号输入与输出模块：本模块完成对输入信号的增益控制，对输出信号 的放大功能。接口电路完成将输入信号调整到最适合c o d e c 工作的幅度， 从而使d s p 的编码能达到最佳效果。输出电路将c o d e c 输出的模拟信号经 功率放大后，驱动扬声器工作。在完成单路语音输入单路回放的基础上，进 一步实现多路数据的输入采集与单路回放。语音的多路输入由d s p 控制完 成。 2 信号处理模块：本模块完成对输入模拟信号的数字化和编码，对存储的 语音记录解码和模拟化的功能。输入通路上的c o d e c 将语音信号进行a d 转换后，送至d s p 进行信号的编码。由d s p 解码后的信号则送至输出通路 上的c o d e c 进行d a 转换并输出。语音信号的编解码算法采用自主研制的 4 k b sd p c e l p 算法，其中包括线性预测分析、线性预测参数的量化、自适 应码书搜索、散布脉冲码书搜索、自适应后滤波等模块。 3 系统控制与显示模块：本模块提供友好的人机交互环境和多样的控制功 能。p c 机通过u s b 接口与d s p 处理模块相连协同工作，完成包括初始化、 放音、音量调节等各项功能。通过p c 机的可视化后台数据管理程序让系统 完成相应的工作。 4 f l a s h 存储器：在单板d s p 处理器中实现d s p 编码后语音数据的存储， 起辅助存储的功效。 5 电源管理模块：提供各模块尽可能独立而且可靠的电源，尽量消除数字 信号对模拟信号的串扰。 在这五大模块中，信号处理模块是核心，语音信号的编解码全部在这模 块中实现，因此，能否在d s p 芯片上实现4 k b sd p c e l p 语音编解码算法，是 整个系统成功的关键。本系统所用的语音编解码算法将不同于市场上已有的语 音编码芯片( 如a m b e 1 0 0 0 等) 中采用的2 4 - 9 6 k b s m b e ( 多带激励) 算法， 也不同于其他科研单位在研制中所采用的i t u tg 7 2 9 ( 8 k b sc s a c e l p ) 算法， 将采用鲍长春教授提出的一种4 k b s 散布脉冲c e l p ( d p - c e l p ) 编解码算法。 目前，实验室拥有该算法的c 浮点模拟程序，本课题及项目组前期的首要任 务就是要将该浮点程序改写成定点的d s p 汇编语言程序，并完成语音输入、编 解码、输出的仿真实现，为整套系统的研制开发奠定基础。 第一节语音编码技术 语音编码技术的研究始于1 9 3 9 年，贝尔实验室的h o m e rd u d l e y 提出了一 种全新的语音信号传输方法，并研制成功了第一个声码器。这种声码器为减少 语音信号中存在的冗余，打破了语音信号原有的内部结构，以提取负载信息的 参量加以传输，并用这些参量在接收端重新合成语音，从而提出了v o c o d e r 的 概念忙j 。但由于宽带光缆的发展使其在通信中的使用已不再昂贵，最初语音编 码需求并未得以实现。直至7 0 年代中期，除了p c m ( 脉冲编码调制) 和a d p c m ( 自适应差分脉冲编码调制) 取得较好进展之外，中低比特率语音编码技术一 直没有大的突破。近些年来，无线领域的个人用户量的快速增长以及v o i p 、卫 星通信的发展又一次掀起了语音编码的研究热潮【3 1 。 语音编码器的目标主要在于传输或存储过程中，压缩语音信号，用尽可能 低的比特率，最大限度的提取语音信号的特征信息，使还原的语音保持原始语 音的自然度和可懂度。传统的语音编码算法可以分为两类：波形编码和参数编 码。波形编码将语音信号作为一般的波形信号来处理，它力图使重建语音波形 保持原语音信号的波形形状，具有适应能力强、话音质量好等优点，但压缩能 力差，编码速率高，如脉冲编码调制( 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 ) 、自适应变换编码( a t c ) 等均属于波形编码， 它们在6 4 1 6 k b s 的速率上能给出高的编码质量，但编码速率进一步降低时， 其性能迅速下降。参数编码的基础是把语音信号看成是某个模型在一定激励作 用下产生的输出，通过对激励源和模型的参数的提取及编码，力图使重建语音 信号具有尽可能高的可懂度，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。参数编码的优点是编码速率低，可以低到2 4 k b s 以下，但 合成语音的质量较差，自然度较低，对背景噪声的坚韧性较小。主要代表算法 有：多带激励编码( m b e ) 、正弦变换编码( s t c ) 、混合激励线性预测( m e l p ) 、 波形内插( w i ) 等算法。 目前，实验室拥有该算法的c 浮点模拟程序，本课题及项目组前期的首要任 务就是要将该浮点程序改写成定点的d s p 汇编语言程序，并完成语音输入、编 解码、输出的仿真实现，为整套系统的研制开发奠定基础。 第一节语音编码技术 语音编码技术的研究始于1 9 3 9 年，贝尔实验室的h o m e rd u d l e y 提出了一 种全新的语音信号传输方法，并研制成功了第一个声码器。这种声码器为减少 语音信号中存在的冗余，打破了语音信号原有的内部结构，以提取负载信息的 参量加以传输，并用这些参量在接收端重新合成语音，从而提出了v o c o d e r 的 概念忙j 。但由于宽带光缆的发展使其在通信中的使用已不再昂贵，最初语音编 码需求并未得以实现。直至7 0 年代中期，除了p c m ( 脉冲编码调制) 和a d p c m ( 自适应差分脉冲编码调制) 取得较好进展之外，中低比特率语音编码技术一 直没有大的突破。近些年来，无线领域的个人用户量的快速增长以及v o i p 、卫 星通信的发展又一次掀起了语音编码的研究热潮【3 1 。 语音编码器的目标主要在于传输或存储过程中，压缩语音信号，用尽可能 低的比特率，最大限度的提取语音信号的特征信息，使还原的语音保持原始语 音的自然度和可懂度。传统的语音编码算法可以分为两类：波形编码和参数编 码。波形编码将语音信号作为一般的波形信号来处理，它力图使重建语音波形 保持原语音信号的波形形状，具有适应能力强、话音质量好等优点，但压缩能 力差，编码速率高，如脉冲编码调制( 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 ) 、自适应变换编码( a t c ) 等均属于波形编码， 它们在6 4 1 6 k b s 的速率上能给出高的编码质量，但编码速率进一步降低时， 其性能迅速下降。参数编码的基础是把语音信号看成是某个模型在一定激励作 用下产生的输出，通过对激励源和模型的参数的提取及编码，力图使重建语音 信号具有尽可能高的可懂度，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。参数编码的优点是编码速率低，可以低到2 4 k b s 以下，但 合成语音的质量较差，自然度较低，对背景噪声的坚韧性较小。主要代表算法 有：多带激励编码( m b e ) 、正弦变换编码( s t c ) 、混合激励线性预测( m e l p ) 、 波形内插( w i ) 等算法。 i ! 窑三些查兰! 三兰堡，圭兰堡丝塞 基 自从美国政府1 9 8 0 年公布了一种2 4 k b s 的线性预测编码标准算法l p c 一1 0 以后，又产生了新代的编码算法波形参数混合编码。这类算法克服了原 有波形编码和参数编码的弱点，结合了它们各自的长处，采用矢量量化( v q ) 、 感觉加权和合成分析( a b s 一a n a l y s i s 。b y s y n t h e s i s ) 等技术，在4 8 1 6k b s 的速率上能够得到较高质量的合成语音。码激励线性预测编码算法( c e l p ) 、 多脉冲激励线性预测编码算法( m p e - l p c ) 、规则脉冲激励一长时预测线性预测 编码算法( r p e 。l t p l p c ) 、矢量和激励线性预测编码算法( v s e l p ) 等都属于 这类混合编码算法【4 1 。 就目前具有通信质量的中、低码率语音编码器而言，1 6 k b s 和8 k b s 的技术 已经标准化和产品化， i t u t s t u d yg r o u p1 6 ，w o r k i n gp a r t y3 ，q u e s t i o n 2 1 ( q 2 1 1 6 ) 正在制定4 k b s 的语音编码标准p 。在所提交的方案中，基于码激 励线性预测编码算法( c e l p ) 的技术仍是主流。本文用d s p 所要实现的语音 编码算法是笔者导师鲍长春教授提出的一种4 k b s 散布脉冲c e l p ( d p c e l p ) 语 音编码算法，其具体内容请参阅第二章。 一、d s p 芯片定义 第二节d s p 芯片综述 d s p 芯片，也称数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种具有特 殊结构的微处理器，主要用来快速实时地实现各种数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些特点【l l 】： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据： ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i 0 支持： i ! 窑三些查兰! 三兰堡，圭兰堡丝塞 基 自从美国政府1 9 8 0 年公布了一种2 4 k b s 的线性预测编码标准算法l p c 一1 0 以后，又产生了新代的编码算法波形参数混合编码。这类算法克服了原 有波形编码和参数编码的弱点，结合了它们各自的长处，采用矢量量化( v q ) 、 感觉加权和合成分析( a b s 一a n a l y s i s 。b y s y n t h e s i s ) 等技术，在4 8 1 6k b s 的速率上能够得到较高质量的合成语音。码激励线性预测编码算法( c e l p ) 、 多脉冲激励线性预测编码算法( m p e - l p c ) 、规则脉冲激励一长时预测线性预测 编码算法( r p e 。l t p l p c ) 、矢量和激励线性预测编码算法( v s e l p ) 等都属于 这类混合编码算法【4 1 。 就目前具有通信质量的中、低码率语音编码器而言，1 6 k b s 和8 k b s 的技术 已经标准化和产品化， i t u t s t u d yg r o u p1 6 ，w o r k i n gp a r t y3 ，q u e s t i o n 2 1 ( q 2 1 1 6 ) 正在制定4 k b s 的语音编码标准p 。在所提交的方案中，基于码激 励线性预测编码算法( c e l p ) 的技术仍是主流。本文用d s p 所要实现的语音 编码算法是笔者导师鲍长春教授提出的一种4 k b s 散布脉冲c e l p ( d p c e l p ) 语 音编码算法，其具体内容请参阅第二章。 一、d s p 芯片定义 第二节d s p 芯片综述 d s p 芯片，也称数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种具有特 殊结构的微处理器，主要用来快速实时地实现各种数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些特点【l l 】： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据： ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i 0 支持： i ! 窑三些查兰! 三兰堡，圭兰堡丝塞 基 自从美国政府1 9 8 0 年公布了一种2 4 k b s 的线性预测编码标准算法l p c 一1 0 以后，又产生了新代的编码算法波形参数混合编码。这类算法克服了原 有波形编码和参数编码的弱点，结合了它们各自的长处，采用矢量量化( v q ) 、 感觉加权和合成分析( a b s 一a n a l y s i s 。b y s y n t h e s i s ) 等技术，在4 8 1 6k b s 的速率上能够得到较高质量的合成语音。码激励线性预测编码算法( c e l p ) 、 多脉冲激励线性预测编码算法( m p e - l p c ) 、规则脉冲激励一长时预测线性预测 编码算法( r p e 。l t p l p c ) 、矢量和激励线性预测编码算法( v s e l p ) 等都属于 这类混合编码算法【4 1 。 就目前具有通信质量的中、低码率语音编码器而言，1 6 k b s 和8 k b s 的技术 已经标准化和产品化， i t u t s t u d yg r o u p1 6 ，w o r k i n gp a r t y3 ，q u e s t i o n 2 1 ( q 2 1 1 6 ) 正在制定4 k b s 的语音编码标准p 。在所提交的方案中，基于码激 励线性预测编码算法( c e l p ) 的技术仍是主流。本文用d s p 所要实现的语音 编码算法是笔者导师鲍长春教授提出的一种4 k b s 散布脉冲c e l p ( d p c e l p ) 语 音编码算法，其具体内容请参阅第二章。 一、d s p 芯片定义 第二节d s p 芯片综述 d s p 芯片，也称数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ，是一种具有特 殊结构的微处理器，主要用来快速实时地实现各种数字信号处理算法。根据数 字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下的一些特点【l l 】： ( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据： ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件i 0 支持： 6 ) 具有在荜周期肉操作静多个硬佟趣疆产生器； ( 7 ) 可_ 以并 予执行多个操体； ( 8 ) 支持濂承线操馋，使取指、译磁蠲执行等操晦霹叛重叠执行。 国予d s p 透露是觚事专鼗运弊的徽巯理器，函蠢毫与逶焉豹徽处理器楣篦 它豹葵德暹震功麓穗对魄较弱。 二、d s p 芯麓的发袋 越界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m l 公司宣布的$ 2 8 il ，1 9 7 9 年美 鞫i n t e l 公司笈布的商掰可编稷器件2 9 2 0 是d s p 芯片豹一个主要里程裤 。j 。这 两萃孛芯片内部都没有瓒代d s p 芯片所必须的举周期乘法器芯片。t 9 8 0 牮，隧 本n e c 公司箍窭翁# p d 7 7 2 0 楚第一个爨有黍法器豹商翔d 妇芯片。第一个采 用c m o s 工黧生产浮点d s p 芯片的憝酲率静h i t a c h i 公司，它予1 9 8 2 年稚溅 了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年，瓣零的f u j i t s u 公鬻攘崮瀚b i b 8 7 6 4 ，其措令溺期鸯 1 2 0 n s ，蛩具鸯双内部繇线，觚蠢殛毽豹吞睦豢发霪了一个大瓣飞跃。蕊第一个 麓经熊瓣浮点转s p 芯冀应是a t & t 公蠲予1 9 8 4 年箍蹬豹d s p 3 2 。 在众多的d s p 蕊片种类中，景成功酶楚美国穗竞萨籁仪器公葡( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系捌产晶。髓公司在1 9 8 2 年藏功捺出癌遗代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系确产晶t m $ 3 2 0 i l 、t m $ 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等， 之质穗继雄密了第二霞d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 ，c 2 8 ，第三代 d s p 芯片下m $ 3 2 0 c 3 0 c 31 ( ；3 2 ，繁疆代d s p 嚣片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五筏d s p 蕊诗t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x 以及祭多令d s p 予一体瓣毫毪辘d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 8 0 c 8 2 等。程将常爱的d s p 芯片癌续麓三大系列，攀：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 霞撼豫l s 3 2 8 e 2 澎e 2 默) 、粼s 3 2 0 c 5 e 系列 餐磁 t m $ 3 2 0 c 5 c 5 4 裂c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系残( t 磁s 3 2 0 c 6 2 x 怒6 7 x ) 。蛰今， t l 公司懿一系到d s p 产黠已经成为当今避赛上最舂影啮豹d s p 芯片。t l 公穰 瓷成为瞧器上滚丈戆d s p 芯片珙盛翥，墓d s p 枣场份额占全毯器份簌逐5 0 。 爨1 9 8 0 年以来，d s p 芯片褥到了突飞猛避懿发爨，d s p 芯片蕊瘦翔越来越 6 ) 具有在荜周期肉操作静多个硬佟趣疆产生器； ( 7 ) 可_ 以并 予执行多个操体； ( 8 ) 支持濂承线操馋，使取指、译磁蠲执行等操晦霹叛重叠执行。 国予d s p 透露是觚事专鼗运弊的徽巯理器，函蠢毫与逶焉豹徽处理器楣篦 它豹葵德暹震功麓穗对魄较弱。 二、d s p 芯麓的发袋 越界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m l 公司宣布的$ 2 8 il ，1 9 7 9 年美 鞫i n t e l 公司笈布的商掰可编稷器件2 9 2 0 是d s p 芯片豹一个主要里程裤 。j 。这 两萃孛芯片内部都没有瓒代d s p 芯片所必须的举周期乘法器芯片。t 9 8 0 牮，隧 本n e c 公司箍窭翁# p d 7 7 2 0 楚第一个爨有黍法器豹商翔d 妇芯片。第一个采 用c m o s 工黧生产浮点d s p 芯片的憝酲率静h i t a c h i 公司，它予1 9 8 2 年稚溅 了浮点d s p 芯片。1 9 8 3 年，瓣零的f u j i t s u 公鬻攘崮瀚b i b 8 7 6 4 ，其措令溺期鸯 1 2 0 n s ，蛩具鸯双内部繇线，觚蠢殛毽豹吞睦豢发霪了一个大瓣飞跃。蕊第一个 麓经熊瓣浮点转s p 芯冀应是a t & t 公蠲予1 9 8 4 年箍蹬豹d s p 3 2 。 在众多的d s p 蕊片种类中，景成功酶楚美国穗竞萨籁仪器公葡( t e x a s i n s t r u m e n t s ，简称t i ) 的一系捌产晶。髓公司在1 9 8 2 年藏功捺出癌遗代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系确产晶t m $ 3 2 0 i l 、t m $ 3 2 0 c 1 0 c 1 4 c 1 5 c 1 6 c 1 7 等， 之质穗继雄密了第二霞d s p 芯片t m s 3 2 0 c 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 ，c 2 8 ，第三代 d s p 芯片下m $ 3 2 0 c 3 0 c 31 ( ；3 2 ，繁疆代d s p 嚣片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 ，第五筏d s p 蕊诗t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x 以及祭多令d s p 予一体瓣毫毪辘d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 8 0 c 8 2 等。程将常爱的d s p 芯片癌续麓三大系列，攀：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列( 霞撼豫l s 3 2 8 e 2 澎e 2 默) 、粼s 3 2 0 c 5 e 系列 餐磁 t m $ 3 2 0 c 5 c 5 4 裂c 5 5 x ) 、t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系残( t 磁s 3 2 0 c 6 2 x 怒6 7 x ) 。蛰今， t l 公司懿一系到d s p 产黠已经成为当今避赛上最舂影啮豹d s p 芯片。t l 公穰 瓷成为瞧器上滚丈戆d s p 芯片珙盛翥，墓d s p 枣场份额占全毯器份簌逐5 0 。 爨1 9 8 0 年以来，d s p 芯片褥到了突飞猛避懿发爨，d s p 芯片蕊瘦翔越来越 北京工业大学工学硕士学位论文 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初 的4 0 0 n s ( 如t m $ 3 2 0 1 0 ) 降低到1 0 n s ( 如t m $ 3 2 0 c 5 4 x 、t m $ 3 2 0 c 6 2 列6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占 模片区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 增加一个数量级以上。从制造工 艺来看，1 9 8 0 年采用41 - t 的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个 以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，d s p 芯片的发展使 d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 三、d s p 芯片的分类及选择 d s p 的芯片可以按照以下的三种方式进行分类： ( 1 ) 按基础特性分为静态d s p 芯片和一致性的d s p 芯片。 ( 2 ) 按数据格式分为定点d s p 芯片和浮点d s p 芯片。 ( 3 ) 按用途分为通用型d s p 芯片和专用型的d s p 芯片。 在设计d s p 应用系统时，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。总的来说， d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择d s p 芯片 时考虑如下诸多因素： 1 、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。d s p 芯片的运算速度可以用 以下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期，就是执行一条指令所需要的时间，通常以r l s 为单位。 ( 2 ) m a c 时间，即一次乘法加上一次加法的时间。 ( 3 ) f f t 执行时间，即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。 ( 4 ) m i p s ，即每秒执行百万条指令。 ( 5 ) m o p s ，即每秒执行百万次操作。 北京工业大学工学硕士学位论文 广泛。从运算速度来看，m a c ( 一次乘法和一次加法) 时间已经从8 0 年代初 的4 0 0 n s ( 如t m $ 3 2 0 1 0 ) 降低到1 0 n s ( 如t m $ 3 2 0 c 5 4 x 、t m $ 3 2 0 c 6 2 列6 7 x 等) ，处理能力提高了几十倍。d s p 芯片内部关键的乘法器部件从1 9 8 0 年的占 模片区的4 0 左右下降到5 以下，片内r a m 增加一个数量级以上。从制造工 艺来看，1 9 8 0 年采用41 - t 的n 沟道m o s 工艺，而现在则普遍采用亚微米( m i c r o n ) c m o s 工艺。d s p 芯片的引脚数量从1 9 8 0 年的最多6 4 个增加到现在的2 0 0 个 以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，d s p 芯片的发展使 d s p 系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。 三、d s p 芯片的分类及选择 d s p 的芯片可以按照以下的三种方式进行分类： ( 1 ) 按基础特性分为静态d s p 芯片和一致性的d s p 芯片。 ( 2 ) 按数据格式分为定点d s p 芯片和浮点d s p 芯片。 ( 3 ) 按用途分为通用型d s p 芯片和专用型的d s p 芯片。 在设计d s p 应用系统时，选择d s p 芯片是非常重要的一个环节。总的来说， d s p 芯片的选择应根据实际的应用系统需要而确定。一般来说，选择d s p 芯片 时考虑如下诸多因素： 1 、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。d s p 芯片的运算速度可以用 以下几种性能指标来衡量： ( 1 ) 指令周期，就是执行一条指令所需要的时间，通常以r l s 为单位。 ( 2 ) m a c 时间，即一次乘法加上一次加法的时间。 ( 3 ) f f t 执行时间，即运行一个n 点f f t 程序所需的时间。 ( 4 ) m i p s ，即每秒执行百万条指令。 ( 5 ) m o p s ，即每秒执行百万次操作。 第一章绪论 ( 6 ) m f l o p s ，即每秒执行百万次浮点操作。 ( 7 ) b o p s ，即每秒执行十亿次操作。 2 、d s p 芯片的价格。 3 、d s p 芯片的硬件资源。 4 、d s p 芯片的开发工具。 5 、d s p 芯片的功耗。 6 、其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。 本课题中语音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2 0 m s ( 通常称为帧) 循环一次。所以选择d s p 芯片应该比较一帧内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。假设d s p 芯片的指令周期为p ( n s ) ， 一帧的时间为t ( n s ) ，则该d s p 芯片在一帧内所提供的最大运算量为t p 条指令。在课题前期，通过理论估计和算术运算i 再结合处理器处理能力及其 他性能价格比方面的因素，本课题中选定了市场的主流系列，t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 x 中的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 定点d s p 芯片作为核心处理芯片。关于 t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 的具体介绍将在第三章第二节中涉及。 第三节本文的组织安排 本文共分为五章。第一章主要介绍了课题中所涉及的语音编码及d s p 的相 关知识。第二章将重点讨论课题中所采用的核心语音编码算法4 k b s 的d p c e l p ( 散布脉冲c e l p 语音编码算法) 。第三章在重点描述t i 定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 的同时对课题实现所涉及到的硬件平台进行了介绍。第四章讨论 了算法实现的软件平台及软件设计中的具体问题。第五章对算法软件的调试及 优化进行了详细的描述，并给出了优化结果。最后对本文进行了总结。 第一章绪论 ( 6 ) m f l o p s ，即每秒执行百万次浮点操作。 ( 7 ) b o p s ，即每秒执行十亿次操作。 2 、d s p 芯片的价格。 3 、d s p 芯片的硬件资源。 4 、d s p 芯片的开发工具。 5 、d s p 芯片的功耗。 6 、其它的因素，如封装的形式、质量标准、生命周期等。 本课题中语音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2 0 m s ( 通常称为帧) 循环一次。所以选择d s p 芯片应该比较一帧内d s p 芯片的处理能力和d s p 算法的运算量。假设d s p 芯片的指令周期为p ( n s ) ， 一帧的时间为t ( n s ) ，则该d s p 芯片在一帧内所提供的最大运算量为t p 条指令。在课题前期，通过理论估计和算术运算i 再结合处理器处理能力及其 他性能价格比方面的因素，本课题中选定了市场的主流系列，t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 x 中的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 定点d s p 芯片作为核心处理芯片。关于 t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 的具体介绍将在第三章第二节中涉及。 第三节本文的组织安排 本文共分为五章。第一章主要介绍了课题中所涉及的语音编码及d s p 的相 关知识。第二章将重点讨论课题中所采用的核心语音编码算法4 k b s 的d p c e l p ( 散布脉冲c e l p 语音编码算法) 。第三章在重点描述t i 定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 1 0 的同时对课题实现所涉及到的硬件平台进行了介绍。第四章讨论 了算法实现的软件平台及软件设计中的具体问题。第五章对算法软件的调试及 优化进行了详细的描述，并给出了优化结果。最后对本文进行了总结。 北京工业大学工学硕士学位论文 第二章d p c e l p 语音编码算法 第一节c e l p 语音编码算法概述【4 一、c e l p 语音编码模型 在基于合成分析的中低速率语音压缩编码方案中，最普通的语音合成模型 为用码本作为激励源的码激励线性预测( c o d e e 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 ) 合成模型，如图2 1 所示。它是1 9 8 5 年，m r s c h r o e d e r 和b ，s a t a l 在 i e e e 声学、语音和信号处理年会i c a s s p 8 5 上首次提出的“1 。 随机 激励 s ( n ) ( a ) 合成过程 图2 - 1随机激励线性预测模型 合成语音 e ( n ) b s a t a l 提出的随机激励线性预测合成模型( 图2 - l a ) 的基本思想就是利用 几乎是白的信号激励两个时变的线性递归滤波器，每个滤波器反馈环路上有一 个预测器，其中一个是长时预测器( 或基音预测器) p ( z ) ，用来产生浊音语音的 音调结构( 谱的细致结构) ，另一个是短时预测器f ( z ) ，用来恢复语音的短时谱 包络。随机激励线性预测模型来源于它的逆过程，如图2 一l b 所示，其中f ( z ) 用 于去除语音信号的近样点冗余度；p ( z ) 用于去除语音信号的远样点冗余度，经过 北京工业大学工学硕士学位论文 第二章d p c e l p 语音编码算法 第一节c e l p 语音编码算法概述【4 一、c e l p 语音编码模型 在基于合成分析的中低速率语音压缩编码方案中，最普通的语音合成模型 为用码本作为激励源的码激励线性预测( c o d e e 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 ) 合成模型，如图2 1 所示。它是1 9 8 5 年，m r s c h r o e d e r 和b ，s a t a l 在 i e e e 声学、语音和信号处理年会i c a s s p 8 5 上首次提出的“1 。 随机 激励 s ( n ) ( a ) 合成过程 图2 - 1随机激励线性预测模型 合成语音 e ( n ) b s a t a l 提出的随机激励线性预测合成模型( 图2 - l a ) 的基本思想就是利用 几乎是白的信号激励两个时变的线性递归滤波器，每个滤波器反馈环路上有一 个预测器，其中一个是长时预测器( 或基音预测器) p ( z ) ，用来产生浊音语音的 音调结构( 谱的细致结构) ，另一个是短时预测器f ( z ) ，用来恢复语音的短时谱 包络。随机激励线性预测模型来源于它的逆过程，如图2 一l b 所示，其中f ( z ) 用 于去除语音信号的近样点冗余度；p ( z ) 用于去除语音信号的远样点冗余度，经过 第二章d p c e l p 语音编码算法 两级预测得到的归一化残差信号近似服从标准正态分布。 般地，短时预测器传递函数表示为 f ( z ) = “，z 一 ( 2 - 1 ) l = 其中，口为预钡4 器系数，p 为预测器阶数，一般介于8 1 6 之间。在接收端， 短时合成滤波器的传递函数为 州加南= 去 之， 其中4 ( z ) = l f 0 ) 是线性预测误差滤波器。预测器系数a 。一般每隔2 0 3 0 m s 修正次。 基音预测器的传递函数为 p ( z ) = 屈z 1 “。 ( 2 3 ) 式中，m 为基音延迟，屈为基音预测器系数。通常，m 随系数屈一起修正 修正速率通常比短时预测器系数高，一般每隔5 1 0 m s 修正一次。基音合成滤 波器的传递函数为 州加南 ( 2 。4 ) 根据图2 1 给出的语音合成模型，可以给出如图2 - 2 所示的基于合成分析过程的 c e l p 语音编解码模型。 为了最佳匹配原始语音信号，c e l p 编码模型需要频繁地修正时变滤波器参 数和激励参数。系统的分析过程是按帧分序进行的，即首先确定时变滤波器的 北京工业大学工学硕士学位论文 参数，然后确定固定激励参数。分析帧的长度和修正速率决定了编码方鬃的比 特鬻。 ( a ) 编码器 r _ r 。“”o ”1 j 最佳l 一短时合成卜斗输出语音 l 激融ll 滤波嚣 l t w - - - - - - - 一- - - - - * - - - - - - - - - 一 ( b ) 解码器 图2 - 2c e l p 语案编码琢瑷捱国 上述模型的激励参数优化过程使用的怒感觉加权均方误差最小准则，而未 使翔普逶黪璃方误夔最，l 、漆剐。这逶嚣受在低跑特速率，每个语裔样点平均分 配的比特数一般要小于1 ，这就使褥准确匹配语音波形变得十分困难a 所以，原 始漆音信号帮重建语啻信鸯之溺懿筠方误蓑缺少爨义亵充分瞧，这藏要求所使 用的