（通信与信息系统专业论文）集群通信系统中语音压缩编解码的研究与dsp实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在数字集群通信系统中，因为频率资源十分有限，所以必需对发送的语音信号进 行压缩编码，以达到节约频带的目的。同时为了使用户能在接收端获得良好的解码语 音，该压缩编码算法应具有较好话音质量和较短时延的特性。 在众多语音压缩标准中，由i t u t ( 国际电信联盟) 于1 9 9 6 年制定的g 7 2 9 语音 编解码标准表现得十分抢眼。它采用的是c s a c e l p 的编码方案，可以将经过采样的 6 4 k b p s 速率的语音信号以几乎不失真的质量压缩到8 k b p s 速率，同时仅只有1 0 m s 的 算法延迟，因此是数字集群通信系统中较为理想的语音编解码算法。伴随着近年来数 字信号处理算法和器件( d s p 芯片) 的飞速发展，为语音编码器的实现和应用奠定了 坚实基础。 本文在对g 7 2 9 语音编解码协议进行系统研究的基础上，提出了一个以d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为核心处理器的语音编解码系统设计方案。论文中首先介绍了目前较 为流行的语音编解码技术，特别是对参量编码的相关技术作了重点介绍；接着针对参 量编码中表现较为突出的g 7 2 9 语音编解码标准进行了详细阐述，并将这种编解码标 准作为所设计语音系统的核心算法；然后对所设计的系统从软、硬件方面进行了全面 的说明，详细地描述了各芯片间的连接方式、驱动程序的设计和d s p 主程序的设计， 为g 7 2 9 标准的实现奠定了基础；最后针对所设计的硬件系统，对g 7 2 9 标准从去除 多余的溢出保护、c 语言中的宏定义的使用、c 语言到汇编语言的改写等方面来实现 了程序结构的优化；同时通过对算法理论中耗时较大的固定码本搜索和自适应码本搜 索进行了减少循环次数和增大搜索步长等方法进行了优化，大大降低了运算周期，提 高了运算效率，最终将该协议成功在系统中实现。通过原始语音波形和重构语音波形 的对比，从客观上证明了系统编解码的正确性；同时从主观上也证明了该系统编解码 的可行性。 关键字：集群通信系统，语音压缩编码，g 7 2 9 标准，d s p 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a t h lm ed i g i t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b e c a u s eo ft h ef r e q u e n c yr e s o u r c e sa r e s ol i m i t e d ，i ti sn e c e s s a r yt os e n dt h ev o i c es i g n a lb yc o m p r e s s i o nc o d i n g m e a n w h i l e ，i n o r d e rt oe n a b l eu s e r st og e tg o o dr e c e i v i n i gv o i c e ，t h ec o m p r e s s i o na l g o r i t h m ss h o u l dh a v e g o o dv o i c eq u a l i t ya n ds h o r t e rt i m ed e l a y c h a r a c t e w i s t i c s a m o n 2s om a n yv o i c ec o m p r e s s i o ns t a n d a r d s ，t h ep e r f o r m a n c eo fg 7 2 9v o i c ec o d e c w h i c hi se s t a b l i s h e ds t a n d a r d sb yi t u t ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) i n19 9 6 i sv e r ye y e c a t c h i n g i tu s e st h ec s a c e l pc o d i n gs c h e m ea n dc a nc o m p r e s st h es a m p l e r a t eo f6 4 k b p sv o i c es i g n a l ( p c m ) t o8 k b p sr a t e ，a l m o s tw i t h o u ta n yq u a l i t yl o s i n g m e a n w h i l et h ea l g o r i t h md e l a yi so n l y10 m s ，t h e r e f o r ei ti sd e s i r a b l ev o i c e c o d e ca l g o r i t h m i nd i g i t a l t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i n r e c e n ty e a r s ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a l g o r i t h m sa n dd e v i c e s ( d s pc h i p ) a r ed e v e l o p i n gr a p i d l y , s oi ti m p l e m e n t st h es p e e c h e n c o d e r i nt h i sd a p e r , i ts h o w sav o i c ec o d e cs y s t e md e s i g nw h i c hb a s e do nt h eg 7 2 9s t a n d a r d b yu s i n gt h ed s pc h i p t m s 3 2 0 c 5 4 0 2a sa c o r ep r o c e s s o r f i r s tw ei n t r o d u c et h ec u r r e n t p o p u l a rv o i c ec o d e ct e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yp a r a m e t r i cc o d i n gt e c h n o l o g y ；t h e n d e s c r i b et h e g 7 2 9v o i c ec o d e ca l g o r i t h mi nd e t a i l ，a n du s et h i sa l g o r i t h ma st h ec o r ev o i c ea l g o r i t h mo f t h es y s t e md e s i g n e ；a n dt h e ni n t r o d u c et h es y s t e md e s i g nf r o mt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e c o m p r e h e n s i v e l y , i n c l u d i n gt h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ev a r i o u sc h i p s ，d r i v e rp r o g r a m s a n d d s pm a i np r o g r a m sd e s i g n ；f i n a l l y , a i m e da tt h eh a r d w a r es y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s w e i m p r o v et h eg 7 2 9s t a n d a r df r o mt h et h ep r o g r a ms t r u c t u r e a n da l g o r i t h mm e t h o d ，a n d s u c c c s s f u l l yi m p l e m e n t ei nt h es y s t e m b yc o m p a r i n g t h ev o i c ew a v e f o r mb e t w e e no r i g i n a l a n dr e c o n s t r u c t i o n ，i tp r o v e st h ec o r r e c t u e s so ft h es y s t e mc o d e cf r o mt h eo b j e c t i v e ； m e a n w h i l e ，t h r o u g hl i s t e n i n gb yt h eh u m a n sc a r s ，i tp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m c o d e cf r o mt h es u b j e c t i v e k e yw o r d s ：t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，v o i c ec o m p r e s s i o nc o d i n g ，g 7 2 9 ，d s p 西南交通大学曲南父逋大宇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：垒型 日强：砷l o 、s 岱 指导老师签名： 日强： h f d 、舌、| s 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 在对集群通信系统研究的基础上，选择了一种适用于该系统的语音编码算法 g 7 2 9 编码标准，并设计了硬件电路用于实现。 2 针对所设计的硬件电路的特点，对g 7 2 9 编码标准从程序结构和算法理论上 进行了优化，并成功在系统中实现。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担- o 学位论文作者签名：鱼堡 日期：纠汐舌i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 - - i i i 。i i i i i i _i i i ! 第一章绪论 1 i 课题研究背景及研究目的 集群通信系统在8 0 年代末期进入我国，并开始逐步成为专用移动通信网的主要 方式【1 1 。专用通信系统即是专用指挥、调度通信，这种通信是很早出现的一种通信方 式，它从一对一对讲的形式、同频单工组网形式、异频单( 双) 工组网形式、单信道 一呼百应以及进一步带选呼的系统，发展到多信道自动拨号系统。三十多年来，专用 调度系统又向更高层次发展，成为多信道用户共享的调度系统，即演变成为集群通信 系统。 集群通信系统在中国的发展和大多数通信系统一样，经历了一个从模拟调制到数 字调制的过程。1 9 8 8 年，进入我国最早的集群通信系统是模拟集群通信系统。第一台 进入我国的模拟集群通信系统是芬兰n o k i a 公司采用m p t - 1 3 2 7 信令的4 5 0 m h z 称 为a c t i o n e t 的模拟集群通信系统。但是不久，日本u n i d e n ( 有利电) 公司的f a s t 系统和美国m o t o r o l a 公司的智慧网( s m a r t n e t ) 大量占领我国集群通信市场，在较长 的一段时间内，这两个系统占我国集群通信市场的8 0 以上【l 川。2 0 世纪9 0 年代以来， 随着通信产品的数字化，集群通信系统也从模拟转变成了数字，这其中最著名的标准 当属欧洲的t e t r a ( t e r r e s t r i a lt r u n k e dr a d i o ) 系统和美国的i d e n ( i n t e g r a t e dd i g i t a l e n h a n c e dn e t w o r k s ) 系统【垃】。国内中兴、华为等公司都在1 9 9 9 年开始研发具备自主 知识产品的数字集群系统，目前已经取得了不少成效。中兴提出的g o t a 系统是首个 基于c d m a 技术的数字集群系统；而华为提出的基于g s m 的g t - 8 0 0 系统为国内数 字集群方面的典型示例，并纳入数字集群共网商用试验p j 。 集群通信系统发展到今天，随着用户数量的激增以及对服务质量要求的不断提 高，使得本就十分有限的无线频谱资源更加紧张。如果语音信号只进行简单的量化编 码而不经过压缩编码就进行传输的话，那么对频谱资源是一种极大的浪费，这是不可 取的。如何在尽量减少失真的情况下用最低的码率来传输和存储数字语音信号，以增 加现有信道的带宽利用率，安全性以及降低成本来实现语音传输已越来越受到人们的 重视。在无线通信技术高度发达的今天，语音信息处理的一系列相关技术已经成为集 群通信系统设计中的重要组成部分。目前该系统中普遍采用了语音压缩编解码的技 术，例如摩托罗拉公司在其p t x 7 0 0 系统中就采用了该公司专有的x p a n d t m 语音 压缩编码技术，其将码元传输速率降低到4 k b p s 左右瞄j 。 在集群通信系统中实现语音编解码，所选用的器件需要有低电压供电、低功耗、 运行速度快以及体积小等特点。目前市场上有许多这类语音编解码的专用芯片，这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 专用芯片能满足系统的基本需要，但是其价格较高，同时通用性，灵活性，功能扩展 等方面受到了很大的限制，很难对现有算法根据不同的场合做一些适当的修改和添加 新的功能。为了弥补专用语音编解码芯片的不足，使用通用的d s p 芯片来进行自主 开发来实现语音的编解码不仅可以大大降低软硬的成本，同时可以方便添加或修改 现有算法来适应不同场合的需要。通用d s p 芯片不仅运算速率高，而且以其功耗低， 体积小，易开发的特点，成为在无线通信系统中实现语音编解码的最佳选择。目前 d s p 在语音处理方面主要是用于算法的实现，数据流的传输与转换，广泛应用于通信 信息领域的移动手机、基站设备等方面。 本文主要研究目的是在当前繁多的语音压缩编解码中，选择一种适合于集群通信 终端的语音处理方案进行研究。并对其算法和程序进行一定优化处理后，在价格相对 低廉的通用d s p 芯片上实现该语音编解码算法，从而替代集群通信终端中的语音处 理专用芯片，大大节约终端设备成本，因此具有现实的研究意义和良好的应用前景。 1 2 数字语音编码的发展概况 语音信号中含有大量的冗余信息，如果采用简单量化、编码后的数字信号直接进 行传输，会有许多的编码信号是多余的，其大大地降低了传输时的效率，白白的浪费 了大量带宽。因此人们通过对人类发声系统的长期研究，掌握了其发声原理，采用各 种信源编码技术减小语音信号的冗余度，并充分利用入耳的听觉掩蔽效应，达到将编 码速率压缩的目的，同时在接收端，仍然能恢复出其可懂度，甚至自然度很好的语音， 这就是我们平常所说语音压缩编码p j 。 上世纪3 0 年代以前，语音信号的处理与传输基本上都是以模拟的形式进行的， 然而由于模拟信号抗干扰能力差，传输能力弱，且可靠性差的原因，1 9 3 7 年a h r e e v e s 提出了脉冲编码调制( p c m ) ，为语音信号的数字化传输奠定了基础一j 。这种 编码方式后来被人们总结归纳为波形编码，波形编码是将时域的模拟话音的波形信号 经过取样、量化、编码而形成的数字话音信号。这种编码力图使重构后的语音信号的 波形与原语音信号波形保持一致，它主要是通过提取时域或频域的特征参数后对其进 行有效的数学变换以达到压缩编码的目的。波形编码具有适应能力强，话音质量号等 优点，但需要用到的编码速率较高，占用带宽较大，一般在6 4 k b p s 3 2 k b p s 之间话音 质量较为优良，但如果传输速率降低到1 6 k b p s 以下后，性能将不能达到需要。波形 编码目前已较为成熟，且具有代表性的是如下几种编码方式：脉冲编码调制( p c m ) 、 自适应增量调制( a d m ) 、自适应差分编码( a d p c m ) 、自适应预测编码( a p c ) 、 自适应变换编码( a t c ) 等编码方式。 由于波形编码的传输比特率较高，占用带宽较大，在如今带宽如此紧张的情况下， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 并不能很好的满足人们的需求，所以人们提出了参数编码方式。1 9 3 9 年美国人h o m e r d u d l e y 发明了声码器，他是通过对人的发声原理的研究，提取其信号特征参数来进行 编码的，故人们又称其为“声码技术”，它为参数编码的研究开创了先河【4 】。这种编码 技术主要是通过对人类发声的生理过程进行研究，建立起一个数学模型，通过这个模 型提取语音的特征参数，然后对语音信号的特征参数进行分析，对其参量进行编码， 同时在接收端能够用解码后的参数重构语音信号。参数编码尽量使得重构的语音信号 有相当的可懂性，保持原来语音的语意，但重构后的语音波形可能与原始语的波形有 一定的差异。这种编码方式一般对码率的要求比波形编码低得多，其压缩的码率可以 低至2 4 k b p s 1 2 k b p s ，但合成的语音质量并不如波形编码的好。目前市场上具有代表 性的声码器有通道声码器、共振峰声码器、同态声码器、线性预测( l p c ) 声码器等。 其中线性预测( l p c ) 声码器，以其成熟的算法和参数的精确估计成为主流，并已投 入了商业实用。 上个世纪八十年代中后期，随着码本激励线性预测编码( c e l p ) 算法的提出，混合 编码算法成为了语音编码的主流。这种编码方式克服了参数编码激励形式过于简单的 缺点，其在保留参数模型的基础上，应用波形编码准则去优化激励信号，使其与输入 语音波形相匹配，同时还利用了矢量量化和知觉加权等技术，在4 k b p s 1 6 k b p s 的编 码速率上能够获得高质量的合成语音。这种编码方式结合了波形编码和参数编码的特 征，其复杂度介于两者之间，是目前较为理想且较为流行的编码方式。自码本激励线 性预测编码( c e l p ) 算法的提出后，产生了3 个国际标准，分别是g 7 2 8 短时延码激励 线性预测语音编码( l d c e l p ) 、g 7 2 3 双速率多媒体语音编码( a c e l p m l q ) 和g 7 2 9 共轭结构代数码激励的语音编码( c s a c e l p ) ，2 个地区性标准和2 个国家标准p j 。 本文主要研究与使用的就是这些混合编码方式中的一种国际标准g 7 2 9 共轭结构 代数码激励的语音编码( c s a c e l p ) 。 1 3 语音编码主要的几个国际标准 1 3 1g 7 116 4 k b p s 脉冲编码调制( p c m ) g 7 1 1 标准是c c i t t 标准化的一个6 4 k b p s 压扩型p c m 编码器，主要用于电话。 它主要用脉冲编码调制对音频采样，采样率为8 k h z 。它利用一个6 4 k b p s 未压缩通道 传输语音讯掣6 1 。起压缩率为1 ：2 ，即把1 6 位数据压缩成8 位。g 7 1 1 是目前主流 的波形声音编解码器，主要有两种压缩算法：一种是“律算法，主要运用于北美和日 本；另一种是a 律算法，主要运用于欧洲和世界其他地区，是特别设计用来方便计算 机处理的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 2 ( 1 7 2 1 和g 7 2 6 自适应差分脉码调制( a d p c m ) ( 2 7 2 1 是c c i t t 在1 9 8 4 年对3 2 k b p s 自适应差分脉码调制( a d p c m ) 作的标准 化算法【j 7 1 。其目的是因为在有些线路上，经常会遇到一端为律而另一端为a 律的情 况。g 7 2 1 是为接收律和a 律的任一种作为输入而建立的。另外一个特点称为同级 联特征。如果在电路之间包含了a d p c m 编码和律、a 律编码两者，不会有退化出 现。( 2 7 2 1 是在1 9 8 4 年标准化的，后来由于出现一些问题，于1 9 8 6 年重新标准化。 ( 2 7 2 6 是一种基于以1 6 - - 4 0k b p s 比特率运行的a d p c m 的i t u t 语音编解码算 法。最为常用的方式是3 2 k b p s ，但由于其只有( 2 7 1 1 速率的一半，所以就将网络的可 利用空间增加了一倍。g 7 2 6 具体规定了一个6 4 k b p s 的a l a w 或i t - l a w 脉冲编码信 号是如何被转化为4 0 、3 2 、2 4 或1 6k b p s 的a d p c m 通道的。在这些通道中，2 4 和1 6k b p s 的通道被用于数字电路倍增设备( d c m e ) 中的语音传输，而4 0k l o p s 通道 则被用于d c m e 中的数据解调信号。 1 3 3 ( 1 7 2 81 6 k b p s 短时延码激励线性预测编码( l d c e l p ) ( 2 7 2 8 的工作进程是从1 9 8 8 年由c c i t t 开始的悼j 。它试图建立通用的1 6 k b p s 长 话质量的语音编码标准。( 2 7 2 8 开始是按照浮点c e l p 编码算法规定的，故要求严格 的按照建议中规定的算法实现。为了验证是否已经正确实现，建立了一组实验矢量。 后来，按照比特严格的定点规格也在1 9 9 4 年完成了。( 2 7 2 8 的编码方式属于目前 较为流行的混合编码方式，经实验结果表明，对于带有背景噪声或音乐的信号，给出 了很好的性能特性。对于无规律的比特错误也表现出良好的性能特性，比标准g 7 1 1 和g 7 2 1 更好一些。他还能够通过所有的网络信令和2 4 k b p s 的调制解调信号。 1 3 4 ( 1 7 2 98 k b p s 共轭结构代数码激励的语音编码( c s a c e l p ) ( 2 7 2 9 协议是由i t u t 的第1 5 研究小组提出的，并在1 9 9 6 年3 月通过的8 k b p s 的低速率语音编码协议 9 】。该编码方案是电话带宽的语音信号编码的标准，对输入语 音性质的模拟信号用8 k h z 采样，1 6 b i t 线性p c m 量化。协议使用的算法是共轭结构 的算术码本激励线性预测( c s a c e l p ) ，它基于c e l p 编码模型。由于g 7 2 9 编解码 器具有很高的语音质量和较低的时间延迟，因此被广泛地应用在数据通信的各个领 域，如v o l p 和h 3 2 3 网上多媒体通信系统等。 q 7 2 9 主要是为低时延应用设计的，它的帧长只有1 0 m s ，处理时延也是1 0 m s ， 再加上5 m s 的前视，这就使得g 7 2 9 产生的点到点的时延为2 5 m s ，比特率为8 k b p s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! ! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼_ m i _ a , ii i i 皇曼皇曼舅曼曼皇曼曼! ! ! ! 曼! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼皇! ! 曼曼曼 g 7 2 9 目前有一个改进版g 7 2 9 a ，这个改进版本使得算法复杂度更低，但性能较原来 差了一些。( 2 7 2 9 编码速率低，在开放信道条件下达到了长话质量，而且在发生随机 误码、帧丢失和有噪音干扰的情况下，能表现良好性能，因此是无线通信系统中较为 理想的选择。这种编码方式和上述的g 7 2 8 同属一类，为混合编码方式。 1 3 5g 7 2 3 15 3 6 3 k b p s 双速率多媒体语音编码( a c e l p m l q ) g 7 2 3 1 是i t u t 在1 9 9 6 年制订成型的一种多媒体语音编解码标准。其典型应用 包括v o 口服务、h 3 2 4 视频电话、无线电话、数字卫星系统、数字倍增设备( d c m e ) 、 公共交换电话网( p s t n ) 、i s d n 及各种多媒体语音信息产品 1 们。g 7 2 3 标准传输码率 有5 3 k b s 和6 3 k b s 两种，在编程过程中可随时切换。对激励信号进行量化时，高速 率( 6 3 k b p s ) 编码器的激励信号采用多脉冲最大似然量化( m l q ) ，低速率( 5 3 k b p s ) 编码器的激励信号采用代数码本激励线性预测( a c e l p ) 。其中，高码率算法( 6 3 k b p s ) 具有较高的重建语音质量，而低码率算法( 5 3 k b p s ) 的计算复杂度则较低。该标准主 要包含了编码算法和解码算法。原理是：从采集的语音信号中解析出声道模型参数， 构造一个合成滤波器，采用合适的激励源激励，编码传输的参数主要是激励源与合成 滤波器的参数。5 3 k b s 的编码器采用代数码线预测激励( a c e l p ) ；6 3 k b s 的编码器 则采用多脉冲最大似然量化( m p m l q ) 激励。根据传输编码参数，可重构激励源与合 成滤波器进行解码，还原出来的数字语音信号经d a 转换器转换成模拟语音信号。 1 4d s p 处理器的发展概况 目前大多数语音编解码算法都用高速处理芯片d s p 来实现。因为通用c p u 大多 采用的是冯诺依曼结构( 程序与数据共用一个存储器) ，而d s p 芯片采用的是哈佛 结构( 程序存储器与数据存储器分开) 和流水线处理方式，这种结构对f f t 处理速度 较快，有利于实时性较高的语音编码算法，且芯片内部软硬件资源非常丰富，有利 于较复杂算法的移植与开发，故语音编解码和d s p 的发展是紧密相连的。 d s p 芯片诞生于2 0 世纪7 0 年代末，那时候数字信号处理都需要依靠通用微处理 器( m p u ) 来完成。但是m p u 对数字信号的处理速度较慢，很难实现实时的高速处 理要求。故1 9 7 8 年，a m i 公司生产了第一块d s p 芯片，命名为$ 2 8 1 1 ，从此开创了 数字信号处理硬件实现的新纪元。随后有许多厂商陆续推出了他们各自的产品，具有 代表性的有：t i 推出的t m s 3 2 0 l o 、i n t e l 推出的i n t e l 2 9 2 0 、a t & t 推出的d s p l 6 ， a d 推出的a d s p 一2 1 等许多芯片【l 。特别值得一提的是t i 公司在1 9 8 2 年推出的其第 一代d s p 芯片- t m s 3 2 0 1 0 ，它采用了改进的哈佛结构，允许数据在程序存储空间 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 与数据存储空间之间传输，大大提高了运行速度和编程灵活性，在语音合成和编解码 器中得到了广泛的应用。 各厂家经历的初期的探测开发阶段后，在1 9 9 0 年前后，d s p 的发展走向了成熟。 在这个时期，许多国际著名的集成电路厂家都相继推出了自己的d s p 产品。如t i 公 司推出的t m s 3 2 0 c 2 0 、3 0 、4 0 、5 0 系列、m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 0 0 、9 6 0 0 系列，a t & t 公司的d s p 3 2 等【1 2 】。这个时期的d s p 器件在硬件结构上更适合于数字信号处理的要 求，能进行硬件乘法、硬件f f t 变换和单指令滤波处理，同时制作工艺上采用了c m o s 工艺，器存储容量和运算速度成倍增长，为语音处理，图像硬件处理技术的发展奠定 了基础。 如今，各d s p 制造商不仅开发了多处理器并行处理结构，而且使系统开发更加 方便、总线传输速率更加快速、程序编程调试更加灵活、且功耗进一步降低、成本不 断下降。尤其是各种通用外设集成到片上，大大提高了数字信号处理能力。d s p 芯片 这些方面的长足进步，使得器能广泛应用于现代信号处理、数字语音图像处理、通 信电子产品、仪器仪表、自动控制、家用电器等方面。 1 5 目前较为主流的d s p 生产公司及其产品 1 5 1t i 公司 t i 全称为德州仪器，是全球领先的半导体公司，为现实世界的信号处理提供创新 的数字信号处理( d s p ) 及模拟器件技术。t i 公司在市场上主要有三大系列产品【1 3 , 1 4 ： ( 1 ) 面向数字控制，运动控制的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列芯片是针对数字控制系统应用进行优化设计的定点芯片。它 内部一样具有8 路或1 6 路l o 位模数转换功能；片内有可反复电擦除的闪烁( f l a s h ) 存储器和较大容量的数据程序r a m ，外部存储器扩展接口使寻址范围达到6 4 k p r o g r a mq - 6 4 kd a t a + 6 4 ki 0 空间；片内还有多个通用定时器和一个看门狗 ( w a t c h d o g ) 定时器；具有电源管理的三种省电模式，可独立关断各个周边模块等。 因此，该d s p 系列芯片是专用数字控制芯片，主要型号包括t m s 3 2 0 c 2 4 x f 2 4 x 、 t m s 3 2 0 l c 2 4 0 ) 【l f 2 4 0 x 、t m s 3 2 0 c 2 8 ) 【) 【等。 ( 2 ) 面向低功耗、手持设备、无线终端应用的t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列 t m s 3 2 0 c 5 0 0 0d s p 是t i 公司t m s 3 2 0 系列芯片中具有较高性能价格比的定点 d s p 芯片。目前，该系列芯片包括t m s 3 2 0 c 5 4 x 和t m s 3 2 0 c 5 5 x 两大类， t m s 3 2 0 c 5 5 x 是在t m s 3 2 0 c 5 4 x 的基础上发展起来的，是目前功耗最低的新产品。 这两类芯片软件完全兼容，t m s 3 2 0 c 5 5 x 核提供与t m s 3 2 0 c 5 4 x 的软件向上兼容， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼曼曼曼量曼曼曼量曼曼_ i ；| ii ll ；l ；i 曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼皇曼皇曼 为设计者提供在t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 上开发接口的容易方法，并允许o e m 保留其软件 投资。另外t m s 3 2 0 c 5 5 x 核比t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 核的功率降低了6 倍，达到了超低 功耗的目的；而t m s 3 2 0 c 5 5 x 比t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 的性能提高5 倍。该类d s p 系 列产品在移动通信和便携无线通信终端产品中有广泛的应用，主要型号包括： t m s 3 2 0 c 5 4 x 、t m s 3 2 0 c 5 4 x x 、t m s 3 2 0 c 5 5 x 等。 ( 3 ) 面向高性能、多功能、复杂应用领域的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的数字信号处理器，是t i 公司于1 9 9 7 年推出的高端系列d s p 。 在芯片设计上，虽然最初主要是针对多通道无线通信和有线通信的应用领域，但是由 于其优异的高速处理性能和出色的对外接口能力，也使该系列芯片适用于雷达声纳， 图像处理和视频测量，跟踪等领域。在2 5 0 m h z 的主频条件下，c 6 0 0 0 的运算速度可 以达到2 0 0 0 m i p s 。t i 公司还提供了完整的开发工具，使得在高性能d s p 编程的场合 有极高的性能价格比，这类产品主要型号包括：t m s 3 2 0 c 6 2 x x 、t m s 3 2 0 c 6 4 x x 、 t m s 3 2 0 c 6 7 x x 等。 1 5 2a d i 公司 a d i 全称为美国模拟器件公司，自从1 9 6 5 年创建以来到现在经历了悠久历史变 迁，取得了辉煌业绩，树立起成立4 5 周年的里程碑。回顾a d i 公司的成功历程：从 位于美国马萨诸塞州剑桥市一座公寓大楼地下室的简陋实验室开始起步，经过4 0 多 年的努力，发展成全世界半导体行业中最卓越的供应商之一 1 5 】。该公司在市场上同样 有三大系列产品5 j ： ( 1 ) 低端领域的a d s ps h a r c2 l x x 系列 a d i 公司的该系列定点d s p 芯片为不同应用提供了不同的程序数据固化存储器 配置，各种型号的汇编代码兼容。该类芯片有成本低，功耗小等优点，在通信( 特别 是移动通信) 、消费电子产品( 便携终端) 中有较大的市场前景。 其主要功能有：混响，音调控制，回声，滤波，音频压缩，频率均衡，基音周期 移位，空间效应，环绕声。主要应用范围是：音乐乐器与放大器，音频混合控制台， 记录设备，光盘操纵者混合控制台，广播设备，电缆电视( t v ) 设备，音频设备与 p c 板卡，玩具与游戏，汽车声音系统，数字音频磁带播放机，光盘播放机，高清晰 度电视设备，数字电视，d v d 播放机，家庭影院a v r 系统。 ( 2 ) 高端领域的t i g e rs h a r c 系列 a d i 公司设计t i g e rs h a r c ( 俗称“虎鲨”) d s p 芯片的初衷主要是为了通信方面 的应用；但事实上，t i g e rs h a r c 同时也是雷达、声纳以及其它确定性的单周期大运 算应用领域的出色选择。实时d s p 系统需要快速而确定的i o 和数据处理能力。其应 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 曼毫! 曼曼曼! 曼皇舅曼皇! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇m m ；：i mmm mm i 皇曼曼曼曼曼曼皇! 曼曼! 蔓曼曼曼量 用领域小到通过单通道输入数据对一个小图像进行基本处理( 例如滤波与均衡) ，大 到一个有上百个输入通道和巨大并行处理需求的声纳系统。t i g e r s h a r cd s p 专门用 于通信和大的需要多d s p 处理的应用，包括雷达、航空电子、声纳以及专业音频设 备( 例如混音器、数字音效) 。 其主要领域包括：医学的计算机层析成像( c t ) 和超声；声纳系统；回声和噪 声抵消系统；飞行模拟器；基础结构设备；智能用品；测试设备；成像，打印机，视 频图像等。 ( 3 ) 消费电子领域a d s pb l a c k f i n 系列 b l a c k f i n ( 俗称“黑鳍”) 系列d s p 是a d i 公司新的系列d s p 产品，是高性能信 号处理与微控制指令集结合的产物。它搭建在微信号结构上，使b l a c k f i n 系列d s p 具有双m a c ，高速率和动态电源管理特征，可使系统性能和功耗最佳化。可见， b l a c k f i n 系列d s p 是下一代许多要求高密度信号处理，控制代码编程，低电源和较快 开发时间等应用所有组合集成在一起的解决方案的可选平台。 b l a c k f i nf u s i v 平台使用集成技术，以便用一颗芯片提供安全，高速的数据传输以 及语音，视频业务。通过具有b l a c k f i n 处理器体系结构优异的媒体处理能力和应用 f u s i v 技术新一代网络处理能力组合的这种新的业务汇聚平台，能提供高质量的视频， 语音和数据业务应用。a d i 公司的b l a c k f i nf u s i v 平台为需要创建新一代用户前端设 备( c p e ) 的设备供应商缩短了开发时间并降低了成本，以便提供一系列宽带服务， 包括从v o i p 业务到扩展到真正“三合一”语音，视频和数据业务。a d i 公司新的f u s i v 技术为小的数据包提供线路网络安全传送和动态服务质量( q o s ) ，从而增强了a d i 公司现有的b l a c k f i n 处理器的嵌入式媒体处理方面的竞争实力。a d i 公司的b l a c k f i n 处理器具有高性能，可扩展性，灵活性和经济型的媒体处理能力，包括多格式的视频 解码和多通道语音处理。 该类芯片应用领域包括：汽车，宽带家庭网关，主要的办公网络转换，数字图 像和打印，全球定位系统，家庭网络无线局域网( l a n ) ，工业信号处理，英特网， 英特网音频，调制解调器解答，个人专用交换( p b x ) ，个人数字助理( p d a ) ，电信 ( 长途通信) 、视频会议和v o i p 电话解答。 1 5 3m o t o r o l a 公司 摩托罗拉公司创立于1 9 2 8 年，在中国，摩托罗拉公司为客户提供无缝移动通信 产品和解决方案，业务范围涵盖宽带通信、嵌入式系统和无线网络等领域。无论是在 家里、在车里、在办公地点还是其他任何地方，无缝移动通信让你随时随地联系到想 联系的人、事物和信息。无缝移动通信最大限度地发挥了技术融合的力量，使通信变 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ! m m , m _im _,m,m mm 得更加智能、快捷、灵活，而且成本更低。 m o t o r o l a 公司是全球生产d s p 的三大公司之一。m o t o r o l a 公司的d s p 既具有d s p 的通用功能，也有自己的鲜明特色，尤其重视在语音处理技术中的应用。m o t o r o l a 公 司推出的d s p 芯片比较晚。1 9 8 6 年，该公司推出了定点d s p 处理器m c 5 6 0 0 1 ；1 9 9 0 年，又推出了与i e e e 浮点格式兼容的的浮点3 2 位d s p 芯片m c 9 6 0 0 2 b j 。m o t o r o l a 公司推出的在p c 机上进行开发的工具套件，是适合软，硬件开发人员应用的开发平 台，便于语音识别，合成及声控装置等设备的研制，设计和制造。m o t o r o l a 公司d s p 系列品种繁多，定点的和浮点的，专用的和通用的，1 6 位和2 4 位及3 2 位的，都有相 应的产品；与a g e r e 公司合作开发的以s t a r c o r e 为内核的新产品( 以m s c 8 1 0 1 为代表) ，已占据了无线通信这一热点技术的有利地位。 1 6 本论文的主要内容及安排 本论文的主要工作是在系统学习了g 7 2 9 协议的编解码原理，同时对其源程序进 行深入研究的基础上，设计了一种基于此算法的语音编解码系统。该系统是以通用 d s p 芯片为核心，结合数模转换芯片搭建而成，具有通用性强，成本低等特点。通过 针对c t 7 2 9 协议的程序和算法改进，最终成功将该协议移植到硬件系统中。 本文的章节安排如下： 第一章主要介绍了当前主流的语音压缩编解码标准和各厂商d s p 芯片的现状和 发展状况。 。 第二章详细阐述了c t 7 2 9 协议的编解码原理和特点，为下一步的工作做好了铺垫。 第三章主要说明了语音编解码硬件系统的搭建，包括芯片的选型说明和芯片间的 连接方式。 第四章主要说明了系统硬件平台上的软件实现方案，包括各芯片的初始化程序和 d s p 的主程序。 第五章是针对所设计的硬件平台，对g 7 2 9 协议从算法理论和程序结构上进行了 优化，并给出了优化后的仿真效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 第二章g 7 2 9 语音编码的基本原理 g 7 2 9 语音编解码器是基于c e l p 编码模型的。编码器对语音帧进行处理，语音 以每秒8 0 0 0 个样点采样，每1 0 m s 对应8 0 个样点为1 帧。以每帧为单位对语音信号 进行分析，提取c e l p 模型的参数，包括l p c 系数、自适应码本与固定码本的索引 和增益等，这些参数被编码并传输。编码器参量的比特分配如表2 1 所示【1 6 】。 表2 0 1g 7 2 9 编码参量的比特分配 在译码端，这些参数被恢复成激励参数和合成滤波器参数，是激励通过短时合成 滤波器来得到重构语音。短时合成滤波器是基于1 0 阶线性预测( l p ) 滤波器。长时 ( 或称为基音) 合成滤波器采用自适应码本方法实现。重构语音计算出来以后，再利 用后滤波处理。 2 1 编码器的原理 编码器是工作在1 0 m s 采样的语音帧上。当这一帧信号进入编码器后，首先对这 8 0 个样点在预处理模块中进行高通滤波和定标，处理后的信号是所有后续分析的输入 信号。接着对每一帧信号进行l p 分析，计算出1 0 阶l p 滤波器的系数，将这些系数 转换成线谱对( l s p ) ，并使用两级矢量( v q ) 进行量化。激励信号是使用合成一分 析的方法，以原始信号与重构信号感知加权滤波误差最小为准则进行搜索而得出的。 这个过程中感知加权滤波器使得原始信号和重构信号之间的误差最小，该滤波器系数 是从l p 滤波器系数导出的。基音分析是通过前面所提到的自相关分析来得到基音周 期。激励参量则是每子帧( 5 m s 采样) 确定一次，第一个子帧使用内插的