基于DSP的數(shù)字語(yǔ)音壓縮系統(tǒng)

語(yǔ)音的數(shù)字通信無(wú)論在可靠性、抗干擾能力、保密性還是價(jià)格方面都遠(yuǎn)優(yōu)于模擬語(yǔ)音信號(hào)，但這是以信道占用寬頻帶寬為代價(jià)的。因此為了減少語(yǔ)音信號(hào)所占用的帶寬或存儲(chǔ)空間，就必須對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼。

一個(gè)優(yōu)秀的語(yǔ)音壓縮系統(tǒng)要求能夠在軟硬件資源占用比例低和壓縮編解碼時(shí)間短的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多通道語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮。目前，G.729A算法多是在TI的5000系列DSP上實(shí)現(xiàn)單通道或雙通道語(yǔ)音壓縮，而本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有的TMS320C6711系列DSP平臺(tái)上使用最少的硬件資源和軟件開銷，壓縮編碼解碼時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了多通道語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮解壓。

選擇語(yǔ)音壓縮編碼方案

在評(píng)價(jià)一個(gè)語(yǔ)音壓縮編碼方案時(shí)，一般從四個(gè)方面考慮：質(zhì)量、速率、復(fù)雜度和延時(shí)。目前 ITU-U已制定的G系列標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

本系統(tǒng)需要的是一種低碼率、語(yǔ)音質(zhì)量良好、低時(shí)延、較低算法復(fù)雜度的壓縮方案，從表1中可以看出，從低碼率考慮就可以排除G.711、G.721、G.722和G.723。G.726在速率為16Kb/s 時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量為2.0，這顯然是不可以接受的。在余下的G.723.1、G.729、G.729A中，可以看到G.723.1的算法復(fù)雜度較大，而且延時(shí)較長(zhǎng)，所以也被排除。和G.729相比，在算法復(fù)雜度方面，G.729A有較大優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，   G.729A是G.729的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，在語(yǔ)音質(zhì)量基本維持不變的情況下，算法簡(jiǎn)化了很多。所以本系統(tǒng)最后選用G.729A算法。

G.729A編碼方案是電話帶寬的語(yǔ)音信號(hào)編碼的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)輸入語(yǔ)音性質(zhì)的模擬信號(hào)用8kHz、采樣，16比特線性PCM量化。CS-ACELP是基于碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（CELP）的編碼模式，每80個(gè)樣點(diǎn)為一語(yǔ)音幀，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)分析并提取各種參數(shù)，把這些參數(shù)編碼發(fā)送。在解碼端，把收到的比特流恢復(fù)成參數(shù)編碼，解碼后得到各個(gè)參數(shù)，用自適應(yīng)碼矢序號(hào)從自適應(yīng)碼本中得到自適應(yīng)碼矢，用固定碼矢序號(hào)從固定碼本中得到固定碼矢，分別乘以它們的增益，按點(diǎn)相加后構(gòu)成激勵(lì)序列。用線性預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)構(gòu)成合成濾波器。用自適應(yīng)碼本方法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)或基音合成濾波，計(jì)算出合成語(yǔ)音后，用后置濾波器進(jìn)一步增強(qiáng)音質(zhì)。G.729A算法編碼器原理框圖如圖1所示。

圖1  G.729A算法編碼器原理框圖

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)字信號(hào)處理器具有運(yùn)行速度快、性價(jià)比高、功耗低、開發(fā)快的特點(diǎn)。本系統(tǒng)選擇的TMS320C6711是高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，可以成功地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓縮和解壓。

1 系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)以TMS320C6711為核心，外擴(kuò)32MB SDRAM和2MB FLASH。DSP仿真器用于DSP的在線調(diào)試開發(fā)，可以通過軟件在線控制DSP的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠查看DSP內(nèi)部寄存器。PC是開發(fā)人員和DSP系統(tǒng)之間的交互界面，通過PC上安裝的CCS集成開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員可以在友好的圖形界面下對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行操作。系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)硬件框圖

2 模擬電路接口設(shè)計(jì)

TLV320AIC10芯片模擬電路設(shè)計(jì)包括麥克風(fēng)接口設(shè)計(jì)和揚(yáng)聲器接口設(shè)計(jì)，由于TLV320AIC10輸出具有600Ω驅(qū)動(dòng)能力，足夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)耳機(jī)，也可以經(jīng)過一個(gè)功率放大芯片驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，所以輸出電路較為簡(jiǎn)單。

TLV320AIC10內(nèi)置運(yùn)算放大器電路，可以方便的與麥克風(fēng)接口，接口電路如圖3所示。應(yīng)當(dāng)注意的是VMID引腳最大輸出電流為5mA，為了防止輸出電流超過限制，應(yīng)當(dāng)串聯(lián)一個(gè)起保護(hù)作用的電位器RP1。

圖3  模擬電路接口

3 數(shù)字電路接口設(shè)計(jì)

TLV320AIC10 支持與 TI 5000和6000 系列的無(wú)縫接口。TLV320AIC10 通過 McBSP接口與TMS320C6711 DSP相連，如圖4所示。

圖4  數(shù)字電路接口

注意，TLV320AIC10采用主模式，由TLV320AIC10 向TMS320C6711 DSP 提供串行通信頻率 SCLK。MCLK 提供TLV320AIC10 的工作頻率，包括串行通信頻率SCLK和采樣頻率fs。串行通信頻率為MCLK 的二分頻，fs與MCLK關(guān)系如下：fs= MCLK/（256×N），N = 1，2...，32。在本系統(tǒng)中 N為4，fs為8000，故MCLK是8.19MHz。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是能夠?qū)崟r(shí)輸入語(yǔ)音、壓縮，并能把接收到的 G.729A 編碼解壓、播放出來(lái)。事實(shí)上 DSP 要同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)：從外部語(yǔ)音芯片獲取采集數(shù)據(jù)、編碼、解碼、把解碼后的數(shù)據(jù)送到外部語(yǔ)音芯片播放。本系統(tǒng)采用 TI BIOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了硬件驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序，最后測(cè)試了實(shí)現(xiàn)結(jié)果。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5  系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)仿真中可以得到，重建語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的頻率峰值完全相同，都在468.75Hz，這表示G.729A的LPC參數(shù)分析和基音頻率估計(jì)是非常正確的，但是重建語(yǔ)音在200Hz、700Hz 左右有一個(gè)原始語(yǔ)音沒有的波峰，而且重建語(yǔ)音在800Hz以后的幅度沒有迅速下降。這說明二者還是稍有差別的。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于DSP的G.729A語(yǔ)音壓縮算法進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：（1）算法通過了ITU-T的測(cè)試向量，達(dá)到了ITU-T標(biāo)準(zhǔn)；（2）本編碼算法對(duì)于時(shí)間長(zhǎng)度為10ms的一幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)編碼需要1.1ms，解碼需要0.29ms，完全可以在TMS320C6711 DSP處理器上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)多路語(yǔ)音編解碼。