基于TMS320C5402的语音压缩与解压缩系统.doc

基于TMS320C5402的语音压缩和解压缩系统08041811班郑由展 学号08224541引言语音压缩编码是数字通信和多媒体通信的基础,为了提高通信的容量和质量 ，对语音处理系统提出的要求也越来越高 ，即在尽可能低的比特率下最大限度地提取语音信号的特征信息，在接收端恢复尽可能清晰自然的语音信号。随着语音算法的日益复杂，许多语音处理器的运算速度需要达到 1020MIPS（百万条指令每秒）。一个完备的语音信号处理系统不但要具备语音信号的采集和回放功能 ，而且更重要的是要能完成复杂的语音信号分析和处理算法 （如压缩和解压缩处理 ）。一、 方案论述考虑到成本及功耗，兼顾算法的复杂度，我们采用数字信号处理器DSP（TI公司的 TMS320C5402）来实现语音的处理系统，主要是语音的压缩与解压缩（采用G. 723.1编解码算法），一方面能提高了语音传输的质量，另一方面能够满足语音压缩的实时性要求。二、总体设计系统结构如图：三、 原理分析 原理如图所示：输入的语音信号首先进行带限滤波和抽样 ,然后进行A/D变换将信号变换成数字比特流。DSP芯片的输入是 A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字信号 ，DSP芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘累加操作(MAC)。数字处理是 DSP的关键 ,经过处理后的数字样值再经D/A变换转换为模拟样值,之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。系统中各模块是同时进行处理 ，以流水线的方式进行工作的 。四、 硬件设计 1、硬件电路高保真的音频系统应该具有较宽的动态范围，选择 16位的ADC和 DAC能完全捕获或恢复高保真的音频信号，这里采用具有-采样特性的TLV320AIC10。TLV320AIC10是TI公司生产的语音数模转换接口芯片，它集成16位A/D和D/A，采样速率可达22.05kb/s,其采样速率可通过DSP编程来设置。 存储器扩展 根据实际存储的需要，可适当扩展存储器。如选用高速RAM CY7C199、EPROM 27C256等。接口电路如图：系统的核心芯片（DSP）选用美国TI公司的 TMS320C5402。该系统中DSP芯片采用144脚TQFP封装的TMS320C5402，它是TI公司第五代16bit定点DSP处理器。5402适用于语音通信等实时嵌入应用场合 ，其性能特点如下：操作速率可达100MIPS；先进的多总线结构；整合维特比加速器 ；数据 /程序寻址空间为1M X16bit，内置4K X 16 bit ROM和4K X 16 bitRAM；内置可编程等待状态发生器 、锁相环时钟产生器、两个多通道缓冲串口 、两个16 位定时器 。与54X系列的其它芯片相比，5402具有高性能、低功耗和低价格等特点 。它采用6级流水线 ，且当 RPT（重复指令）时，一些多周期的指令就变成了单周期的指令；芯片内部RAM和ROM可根据PMST寄存器中的OVLY和DROM位灵活设置,这些都有利于算法的优化。值得注意的是，5402的I/O采用3.3V电源供电，而芯片的内核采用1.8V电源供电，实际情况是只有5V电源，所以必须选用电源转换芯片如TPS7301和TPS7333。2、软件设计以下为程序流程图： 软件部分主要包括DSP和PC编程两个部分。DSP编程的主要任务是初始化、管理板上资源完成音频的压缩、解压缩处理算法。PC编程的重点是管理DSP操作和应用层软件编写，上层应用程序是用户使用系统的界面，它提供语音数据管理和系统管理等功能，由于篇幅所限，本文将各模块的程序略去。1.A/D与D/A程序设计为了在20K的语音频段获得良好的音频输出，A/D和D/A的采样频率应该达到44.1K或48K。要正确编写采样和输出音频信号的程序，必须对5402的相关寄存器进行正确的设置，以满足5402等的各种时序要求。为了使TOUT能给外围器件提供时钟信号，应设计DSP的定时和中断操作。2.音频信号压缩算法G.723.1是用于语音和其它声音信号的双速率压缩编解码算法，它有两种编解码速率，分别为5.27和6.3Kbps，两种速率的编解码器均有很高的语音质量和较低的时延，并允许在每帧边界转换速率以实现变比特率专输。（1）G.723.1编码算法编码方框图如下：编码器将采集到的数字语音信号分成长度为240点的帧，所有操作都是按帧操作，然后每一帧又被分成120点的两部分，用于环基音值的估计。最后又将这两部分一分为二，每一部分长度为60点，称为一子帧，对每一子帧进行闭环基音提取和激励脉冲搜索。（2） G.723.1解码算法解码框图：ITU-T G.723.1的解码也是按帧进行的，主要是根扰语音产生的机理，对符合ITU-T G.723.1的码流进行解码，得到相应参数，合成语音。从线路上来的ITU-TG.723.1码流首先被分解成各部分，然后分别进行线谱对解码和插值，得到该帧的线谱对参数，将它转换成线性预测，即滤波器系数，再进行基音和激励脉冲解码，得到合成滤波器的激励信号。对解码后的激励信号进行基音后置滤波后输入到线性预测合成滤波器中，得到合成的语音信号。合成后的语音信号经过工振峰后置滤波和增益控制后输出，形成最后的语音信号。3.语音压缩和解压缩总框图如下：五、 调试方法为开发者提供了一套集成开发环境CCS，它将工程管理、代码编辑和系统调试等功能集成到一个统一的中。在一 个开放式的插件结构下，内部集成了以下软件工具：1、 代码产生工具；2、 软件模拟器）；3、 实时基础软件；4、 主机与目标机之间的实时数据交换软件；5、 实时分析和数据可视化分析。 为开发者极大的降低了系统的开发难度，简化了开发过程，提高了开发效率。而且和所提供的实时分析和数据可视化功能为目标系统提供了一个实时窗口，它把传统的调试技术向前提高了一大步，使得开发者可以在产品的设计和开发阶段就可以尽早发现一些与实时运行有关的问题，及时解决。实际调试，将C代码在CCS环境中编译并生成可执行文件，再用profile工具进行测试评估：编码一个10ms的语音帧，相对于优化前，编码速度提高显著；确保了程序代码的准确性；算法的运算量约为45MIPS；压缩比为CR=16：1。语音数据用MATLAB分析得如下结果：输入语音输出语音：短时输入语音波形：短时重构波形：六、 小结实验证明本文提出的基于 DSP的语音压缩和解压缩方法具有很多优点 ：（1）压缩率高；G.723.1算法可实现双速率编码。（2）大大提高了低速率编解码的语音质量 ；对于一般没有受过专门训练的耳朵，已经无法区分语音是否经过压缩 ，这样的语音质量完全能满足网络视频会议系统的需求。（3）提高了运算速度。七、 参考文献1 姚天任 .现代数字信号处理 M武汉