dsp语音信号压缩A律

1、DSP课程设计报告摘 要 本文简要阐述了语音信号压缩A律的基本原理，可以将高位的数据压缩成低位的数据，它适用于声音信号的播放和传输系统，在设计中借助MATLAB信号处理工具箱FDAtool工具设计了语音信号压缩系数，然后在CCS中以TMS320C55x芯片的汇编语言编程实现了该语音信号压缩。利用MATLAB设计语音信号压缩，可以随时对比设计要求和语音信号压缩特性调整参数，直观简便，极大的减轻了工作量，有利于语音信号压缩设计的最优化。另外文中还介绍CCS开发环境。文中所给程序已经经过软件仿真验证，所设计的语音信号压缩符合设计要求。关键词：DSP；语音信号压缩；MATLAB；Code Compos

2、er Studio(CCS)；TMS320C55x目 录1 语音信号压缩A律设计任务及目的11.1 语音信号压缩A律设计任务11.2语音信号压缩A律设计目的12 TMS320C55X的硬件结构12.1 C55X的CPU体系结构12.2 指令缓冲单元（I）22.3 程序流程单元（P）22.4 地址程序单元（A）22.5 数据计算单元（D）34 语音信号压缩（A律）原理35 CCS概述66语音信号压缩（A律）软件实现76.1 软件实现步骤76.1.1软件程序76.1.2实现步骤106.1.2运行并观察结果116.2结果分析127 结论128参考文献121 语音信号压缩A律设计任务及目的1.1 语音

3、信号压缩A律设计任务（1）完成语音信号采集；（2）对语音信号进行A律压缩；（3）传输压缩后的信号；1.2 语音信号压缩A律设计目的 本设计的目的在于通过使用DSP的程序设计完成对语音信号的压缩，既可以通过软件实现，也可以通过硬件实现。进行程序的设计，并在CCS软件环境下进行调试，同时也加深学生对数字信号处理器的常用指标和设计过程的理解。2 TMS320C55X的硬件结构 2.1 C55X的CPU体系结构C55X有1条32位的程序数据总线（PB），5条16位数据总线（BB、CB、DB、EB、FB）和1条24位的程序地址总线及5条23位地址总线，这些总线分别与CPU相连。总线通过存储单元接口（M）

4、与外部程序总线和数据总线相连，实现CPU对外部存储器的访问。这种并行的多总线结构，使CPU能在一个CPU周期内完成1次32位程序代码读、3次16位数据读和两次16位数据写。C55X根据功能的不同将CPU分为4个单元，指令缓冲单元（I）、程序流程单元（P）、地址流程单元（A）、和数据计算单元（D）。读程序地址总线（PDA）上传送24位的程序代码地址，由读程序总线（PB）将32位的程序代码送入指令缓冲单元进行译码。2.2 指令缓冲单元（I）C55X的指令缓冲单元有指令缓冲队列IBQ和指令译码器组成。在每个CPU周期内，I单元将从程序数据接收的4B程序代码放入指令缓冲队列，指令译码器从队列中取6B程

5、序代码，根据指令的长度可对8位、16位、24位、32位和48位的变长指令进行译码，然后把译码数据送入P单元、A单元和D单元去执行。2.3 程序流程单元（P）程序流程单元有程序地址产生电路和寄存器组凑成。程序流程单元产生所有程序空间的地址，并控制指令的读取顺序。程序地址产生逻辑电路的任务是产生读取空间的24位地址。一般情况下，它产生的是连续地址，如果指令要求读取非连续地址的程序代码时，程序地址产生逻辑电路能够接收来自I单元的立即数和来自D单元的寄存器值，并将产生的地址传送到PAB。在P单元中使用的寄存器分为5种类型。程序流寄存器：包括程序计数器、返回地址寄存器和控制流程关系寄存器。块重复寄存器：

6、包括块重复寄存器0和1（BRC0、BRC1）BRC1的保存寄存器(BRS1)、块重复起始地址寄存器0和1以及块重复结束地址寄存器0和1。单重复寄存器：包括单重复寄存器和计算单重复寄存器。中断寄存器：包括中断标志寄存器0和1、中断使能寄存器0和1以及调试中断使能寄存器0和1。状态奇存期：包括状态寄存器0，1，2和3。2.4 地址程序单元（A）地址程序单元包括数据地址产生电路、算术逻辑电路和寄存器组构成。数据地址产生电路能够接收来自I单元的立即数和来自A单元的寄存器产生读取数据空间的地址。对于使用间接寻址模式的指令，有P单元向DAGEN说明采用的寻址模式。A单元包括一个16位的算术逻辑单元，它既可

7、以接收来自I单元的立即数也可以与存储器、I/O空间、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信。A单元包括的寄存器有以下几种类型。数据页寄存器：包括数据页寄存器和接口数据页寄存器；指针：包括系数数据指针寄存器、堆栈针寄存器和8个辅助寄存器；循环缓冲寄存器:包括循环缓冲大小寄存器、循环缓冲起始地址寄存器;临时寄存器：包括临时寄存器。2.5 数据计算单元（D）数据计算单元由移位器、算数逻辑电路、乘法累加器和寄存器组构成。D单元包含了CPU的主要运算部件。D单元移位器能够接收来自I单元的立即数，能够与存储器、I/O单元、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信，此外，还可以向D

8、单元的ALU和A单元的ALU提供移位后的数据。移位可以完成以下操作：对40位的累加器可以完成向左最多32位的移位操作，移位数乐意从零食寄存器读取或由指令中的常数提供；对于16位寄存器、存储器或I/O空间数据可完成左移31位或32位的移位操作；对于16位立即数可完成向左移最多15位的移位操作。4 语音信号压缩（A律）原理PCM（Pulse Code Modulation）编码即脉冲编码调制，也就是将模拟信号转换为数码，然后再转换成二进制数字信号的方法。几种常见的二进制编码格式如下：量化电平自然二进制偏移二进制2补码反射二进制折叠二进制7111111101111000011161101110011

9、01001011051011101010110110101410011000100101001003011101100111110001120101010001011110010100110010001110100010000100000001100000001000101111111010010012011011100101101030101110101111011401001100011011005001110110010110160010101000111110700011001000111118000010000000表4.1常见的二进制编码格式A律压缩编码压缩码是CCITT（Cons

10、ultative Committee for International Telegraph and Telephone）国际电报电话协会最早推出的G.711语音压缩解压编码的一种格式的主要内容。其中欧洲和中国等国家采用A律压缩解压编码。A律压缩的数学解析式为：y = ，y = ,。 式中：y为输出信号；x为输入信号；A为压缩系数。由上式得知，小信号时为线性特性，大信号时近似为对数特性。这种压扩特性常把压缩、量化和编码合为一体。A律可用13段折线逼近(相当于A=87.6)，便于用数字电路实现。13段折线的压缩特性如图1所示。图3.2分段为x取正值时的情况，而x取负值时，压扩特性与x取

11、正值成奇对称，在正8段和负8段中，正1、2段和负1、2段斜率相同，合为一段，所以原来的16段折线变为13段折线。图4.1 A律压缩曲线图3.3是DSP进行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；然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。16DRB32CPUDRRRJUST 压缩RBRRSR16BDXCPUDXR压缩XSR图4.2 DSP进行数据压缩解压的简单流程表4.2 A律数据压缩表12位码（十进制）量 阶符号位段落码（二进制）段内码（二进制）01510000000011111631

12、1000100001111326320010000011116412740011000011111282558010000001111256511160101000011115121023320110000011111024204764011100001111段内码，表示值为15在进行A律压缩时，对于采样到的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。具体的编译码表如表5.2所示。压缩后的数据的最高位（第7位）表示符号，量阶分别为1、1、2、4、8、16、3

13、2、64，由压缩后数据的第6位到第4位决定，第3位到第0位是段内码。压缩后的数据有一定的失真。有些数据不能表示出，只能取最近该数据的压缩值。例如，数据125，压缩后的值为00111111，意义如下：0 011 1111段落码，表示量阶为4，起始数据为64符号位，0表示正数最终结果为644×15124 ，实现了压缩。5 CCS概述 CCS，即Code Composer Studio，是TI公司在1999年推出的一个开放、具有强大集成开发环境。它最初是由GO DSP公司为TI的C6000系列DSP开发的。在TI收购了GO DSP后，将CCS扩展到了其它系列。现在所有TI的DSP都可以使用

14、CCS进行开发，但是其中的DSPBIOS功能只有C5000和C6000的CCS中才提供。以前的DSP软件开发都是在一个分散的开发环境下进行，程序的编写、代码的生成以及调试等都是要通过命令来完成，类似于以前的DOS，十分烦杂。而CCS的出现是DSP开发软件的一次革命性的变化。CCS主要由代码生成工具、CCS集成开发环境、DSPBIOS和API函数以及RTDX组成。CCS提供了基本的代码生成工具，它们具有一系列的调试、分析能力。CCS支持如下所示的开发周期的所有阶段。图5.1 CCS开发周期阶段CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，它能够加

15、速开发进程，提高工作效率。集成可视化代码编辑界面，可以方便地直接编写C、汇编、.h文件、.cmd文件等。集成代码生成工具，包括汇编器、优化的C编译器和连接器等。具有完整的基本调试工具，可以载入执行文件(.out)，查看寄存器窗口、存储器窗口和变量窗口、反汇编窗口等，支持在C源代码级进行调试。支持多片DSP联合调试。断点工具，支持硬件断点、数据空间读/写断点、条件断点等。探针工具，用于进行算法仿真，数据监视等。剖析工具，用于评估代码执行的时间。数据图形显示工具，可绘制时域/频域波形、眼图、星座图等，并可以自动刷新。提供GEI工具，用户可以根据需要编写自己的控制面板/菜单，从而方便直观地修改变量，

16、配置参数。6 语音信号压缩（A律）软件实现 6.1 软件实现步骤 6.1.1软件程序 1.信号压缩算法-“Alaw.c” #include<math.h>char i=0;unsigned int sign,segment,quant,absol;unsigned int nOutput;unsigned char IntToaLaw(int nInput)unsigned int temp;unsigned char cOutput;absol=abs(nInput);/取绝对值sign=(nInput >= 0)?0:1;/符号位temp=absol<<3;w

17、hile(1) nOutput=temp&0x8000; if(nOutput) break;/碰到1就退出 temp<<=1; i+; if(i=8) break;if(i<8)temp&=0x7800;/保留段内码quant=temp>>11;/段内码segment=8-i;/段落码nOutput=(segment<<4)+quant;elsetemp&=0x7fff;nOutput=temp>>11; if(sign)nOutput|=(1<<7);cOutput=(unsigned char)nO

18、utput;return cOutput;2.主程序-“c55_fira.c”#include<math.h>#define SIGNAL1_F 200#define SIGNAL2_F 640#define SALMP_F 2000#define COFF_L 23#define BUF_L 256#define PI 3.1415926 int temp; unsigned char utemp;extern unsigned char IntToaLaw(int);/extern int aLawToInt(unsigned char);int data_inBUF_L;in

19、t data_outBUF_L;int k=0;void main(void)while(1) utemp=IntToaLaw(32); /temp=aLawToInt(utemp); data_outk=temp; /设置断点 k+; /设置断点 if(k>=BUF_L) k=0; /设置断点 6.1.2实现步骤1准备设置c55xx软件仿真模式，连接好DSP开发系统，并启动CCS。2新建工程首先新建工程文件xxx,然后将程序写入工程文件中，并保存。CCS工程界面如图所示：图6.1 3编译链接并装载程序把文件添加到工程中后，再对文件进行编译链接，生成.out文件，然后装载输出文件。 4设置信号压缩观察窗口在菜单中选择vi