《DSP技术与应用》课程设计报告-基于DSP语音信号的压缩、存储与回放.doc

DSP技术及应用课程设计淮阴工学院DSP技术及应用课程设计报告选题名称: 基于DSP语音信号的压缩、存储与回放 系（院）: 计算机工程学院 专 业: 计算机科学与技术（嵌入式系统软件设计） 班 级: 计1073 姓 名: 学 号: 指导教师: 学年学期: 2009 2010 学年 第 2 学期2010年 6 月 12 日摘要：语音信号是信息的重要形式, 语音信号处理有着广泛的应用领域，而语音压缩在语音信号的传输、存储等方面有非常广泛的作用，而且在通信领域中已经有较成熟的发展和广泛应用。本设计要求采用DSP及其A/D、D/A转换器进行语音信号的压缩、存储和回放。语音信号模数、数模转换采用TLC320AD50C（以下简称AD50），这是一款SIGMA-DELTA型单片音频接口芯片（AIC）。它内部集成了16位的D/A和A/D转换器，采样速率最高可达22.05kb/s，其采样速率可通过DSP编程来设置,内含抗混叠滤波器和重构滤波器。在DAC之前有一个插值滤波器以保证输出信号平滑和ADC之后有一个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比。关键词：语音信号;DSP;AD;DA目录1.课题综述11.1 课题来源11.2预期目标12.系统分析22.1涉及的基础知识22.2 总体方案52.3功能模块框图53.系统设计63.1详细流程图64.代码编写64.1 A律压缩编码65.程序调试76.运行结果8总结10参考文献111.课题综述1.1 课题来源语音信号处理在手持设备、移动设备和无线个人设备中的应用正不断增加。今天的个人手持设备语音大多数时候仅仅局限于语音拨号，但是已经出现了使用于更广泛开发语音识别和文本到语音应用的技术。语音功能为用户提供自然的输入和输出方式，它比其他形式的I/O更安全，尤其是当用户在开车期间。在大多数应用中，语音都是键盘和显示器的理想补充。语音信号的传输和存储时语音信号的基本要求。对语音信号的传输，希望是传输的速度尽量快，传输的质量尽量高；对语音信号的存储，希望存储的空间尽量小，存储的信息尽量多。这两方面的要求。促进了语音编码的产生。语音编码算法可以解决语音传输和存储的问题。所以，研究语音编码算法，也具有十分重要的价值，是目前语音信号处理最广泛的算法。随着数字信号处理算法在DSP中的实现，很多以前很难实现的语音信号处理算法都可以在DSP中实现，语音信号具有信号频谱较全、采样速度较低、随机性强、应用场合多、实时性要求高等特点。语音信号处理包括信号采集、处理、传输、存储和播放这一系列的处理过程。1.2预期目标a)使用DSP实现语音压缩和解压缩的基本算法，算法类型自定，例如可以采用G.711、G.729等语音压缩算法。b)采用A/D转换器从MIC输入口实时采集语音信号，进行压缩后存储到DSP的片内和片外RAM存储器中，存储时间不小于10秒。c)存储器存满之后，使用DSP进行实时解压缩，并从SPEAKER输出口进行回放输出。d)使用指示灯对语音存储和回放过程进行指示。2.系统分析2.1涉及的基础知识了解5402DSP芯片与多通道缓冲串行口MCBSP的内部结构和工作原理了解5402芯片需要添加的.h文件，了解cmd文件的内容了解C语言的编程方法熟练掌握并使用CCS5000完整调试过程2.1.1 语音编码原理a)概念：语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码。PCM编码即脉冲编码调制。波形编码的最简单形式就是脉冲编码调制(Pulse code modulation)，这种方式将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表示，并用脉冲对采样幅 度进行编码，所以叫做脉冲编码调制。 脉冲编码调制没有考虑语音的性质，所以信号没有得到压缩。 b)量化：脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化，即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化方式。但是均匀量化有缺点，在信号动态范围较大而方差较小的时候，其信噪比会下降 。 国际上有两种非均匀量化的方法：A律和律，律是最常用的一种。在美国，7位律是长途电话质量的标准。 而我国采用的是A律压缩，而且有标准的A律PCM编码芯片。 c)DPCM&ADPCM： 降低传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。相邻的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得到压缩。因为差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。这种编码叫Differential PCM,简称DPCM，即差分脉冲编码调制。2.1.2 A律压缩类似于十三折线法，A律压缩如图2-1图2-1 A律压缩示意图A律压缩编码表如表2-1表2-1 A律压缩编码表线性输入编码压缩编码0000000wxyza0000001wxyza000001wxyzab00001wxyzabc0001wxyzabcd001wxyzabcde01wxyzabcdef1wxyzabcdefg 000wxyz 001wxyz 010wxyz 011wxyz 100wxyz 101wxyz 110wxyz 111wxyz采用DSP可以直接对PCM编码后的语音信号进行律和A律压缩。图2-2是DSP硬件实现数据压缩解压的简单流程，DSP将传输来的压缩后的数据进行解压成16位或者32位，然后对解压后的数据进行分析、处理，最后将处理后的数据按照要求压缩成8位的数据格式输出到相应设备，供其他设备读取。RSRDRRBR解压RJUSTDRRCPUDXXSR压缩DXRCPU图2-2 数据压缩解压流程图2-3是DSP将数据解压的值，DSP将压缩的8位数据解压成16位的DSP通用数据格式，其中高13位为解压后的数据，低3位补0。这是因为6711的A律压缩只能对13位数据操作。DSP将解压后的数据放在缓冲串口的发送寄存器中，只要运行发送指令，缓冲串口就会将数据发送出去。缓冲串口对接收数据的解压过程和压缩过程完全相反。发送缓冲器A律值015320图2 -3 A律数据解压在进行A律压缩时，采样后的12位数据，默认其最高位为符号位，压缩时要保持最高位即符号位不变，原数据的后11位要压缩成7位。这7位码由3位段落码和4位段内码组成。具体的压缩变换后的数据根据后11位数据大小决定。表2-2 A律数据压缩表12位码量阶符号位段落码015163132636412712825525651151210231024204711248163264000000000000010100111001011101110000111100001111000011110000111100001111000011110000111100001111段内码2.2 总体方案用板内的AD/DA转换器AD50将由MIC输入的模拟信号转换为16位数字信号送入DSP板中进行压缩处理，压缩处理后的数据经过解压后再送至DA转换器转换为模拟信号，由SPEAKER口输出，压缩和解压缩用A律格式，从而实现语音信号的采集压缩与回放。2.3功能模块框图麦克输出数据输出A/D转换D/A转换数据处理与存储数据解压图2-4 总体框图3.系统设计3.1详细流程图初始化DSP初始化AD50C使外部FLASH有效LED0循环闪2次DSP正常工作语音输入及量化数据压缩与存储是否存满空间数据处理解压缩与回放结束NO图3-1流程图4.代码编写4.1 A律压缩编码unsigned char data2alaw(int data) unsigned char i,sign,achord,astep; unsigned int output,absol,temp; temp=absol=abs(data); sign=(data=0)?1:0; /判定符号：正数 =1，负数 =0for (i=0;i16;i+) /确定temp中出现1的最高位 output=temp&0x8000; if(output) break; /temp 左移i位后最高位为1 temp=1; achord=11-i; /段值 if (achord1)&0x0F;/段值为0,将absol右移1位得到量化值 elseastep=(absolachord)&0x0F; /段值不为0,将absol右移achord4095) /超过最大值4095，输出最大值0x7foutput=0x7F; if(sign) return output=0xFF; /返回含有符号信息的输出值else return output=0x7F;5.程序调试1将工程文件夹放入C盘要求目录下。2. 打开CCS，Project open，打开工程文件。3进行编译，连接。4根据错误提示，对build option进行正确的设置，修改头文件路径。5再编译，连接，显示没有错误。6load program-run，此时三盏灯循环亮，之后程序开始，第一盏灯亮开始录音，一段时间后第二盏灯亮开始放音，然后又开始录音。依次循环。6.运行结果1.观察数据结果Viewwatch window我们输入buffer，显示此数组的值，如图6-4所示。2.观察数据图形ViewGraphTime Frequency可以加入断点，然后按Animate 动态显示。分别观察语音输入（存放在变量data中）波形，压缩后波形（temp1），解压后输出波形（data1），图形分别为图6-1，图6-2，图6-3。3.观察存储器中数据ViewMemory经过多次调试，使录音时间在保持音质的前提下达到5-6秒。6-1输入波形(data)图6-2压缩后波形(temp1)图6-3解压缩后输出波形(data1)图6-4 watch window中的值总结通过这次课程设计，我深深地感受到我所学习到的知识是远远不够用的。我们是五个人一组做的语音压缩、存储与回放，两个人做的硬件，三个人做的软件。一开始对这个课题大概的浏览了一下，去图书馆借书的时候发现关于这方面的书很少，而且讲的都不是很全面，然后就去网上搜索了一些资料。刚开始我们都没有任何头绪，毕竟在那么短时间内要完成一个课题是一个挑战，我们也不知道如何下手。后来聚到一块大家分析了一下整个流程，确定了每个人要做的模块，我做的是软件方面的，是压缩这一块。以前重来没有涉及过着方面的知识，所以不知道该怎么做，于是下载了关于压缩方面的资料。我们这个程序应用的是A律压缩，一开始我看不明白，就觉得提不起精神，没有信心做下去。后来调整了一下心态，有投入到研究A律压缩的学习中去了，经过一系列的分析终于弄明白是怎么回事了。但是懂得原理要把它变成C语言表达出来就又很难了，总是不能够很快的理解。经过反反复复得思考最后还是搞清了。整个实验过程中，我在不断的查阅资料和开动脑筋过程中，锻炼了我的资料采集能力，也锻炼了我的分析整理能力，为以后作毕业设计打下了基础。同样在实验过程中我遇到很多困难，而这些困难则锻炼了我的耐心和分析解决问题的能力，通过编程锻炼了我的编程能力，使我对C语言更加熟悉，让我能更好的运用它。而且五人一组的实验，也锻炼了我们的团结协作能力，为将来走入社会能更好的工作打下了基础。参考文献1万山明.TMS320F281xDSP原理与应用实例.北京航空航天大学出版社，2007.72谭浩强.C程序设计(第二版)清华大学出版社，20033李颖，李文海.现代通信技术.人民邮电出版社，2002.34赵勇，甘泉.DSP应用系统设计.电子工业出版社，2002.105乔瑞萍.TMS320C54x DSP原理及应用.西安电子科技大学出版社，2005.2指导教师评语学号1071306102姓名郭佳凤班级计1073选题名称基于DSP的语音信号的压缩、存储与回放序号评价内容权重