基于DSP技術(shù)的多路語音實時采集與壓縮處理系統(tǒng)
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；DSP；數(shù)據(jù)處理；實時；語音壓縮
在語音的數(shù)字通信和數(shù)字存儲等應(yīng)用領(lǐng)域，需要對多路語音信號進行實時采集和壓縮處理［1］。如某語音記錄設(shè)備，需要對8路語音信號進行實時采集和壓縮處理，而且要求對采集到的語音數(shù)據(jù)的壓縮率盡量高。一般地，當(dāng)要求語音數(shù)據(jù)壓縮后的碼流在10 Kbps左右時，需要采用語音的模型編碼技術(shù)。而模型編碼算法的運算量很大。因此，如一方面要求對多達8路的語音信號進行實時采集，另一方面又要求對各路的語音信號進行較高壓縮率的實時壓縮處理，對數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)提出了更高的要求。
由于VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP（Digitalsig－nal processor數(shù)字信號處理器）的性能價格比得到了很大的提高［2］，使得利用DSP的高速數(shù)據(jù)管理能力和處理能力來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和處理成為實時數(shù)據(jù)采集和處理的一個新的發(fā)展方向?；诖?，本文介紹的多路語音實時采集與壓縮處理系統(tǒng)采用了高速DSP技術(shù)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
1．1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)
采集語音信號通道數(shù)：8
語音信號帶寬：300～3 400 Hz
采樣速率：8 000 Hz
語音回放通道數(shù)：1
每路語音信號壓縮后碼流：13 Kbps
擴展ISA總線接口
系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括三個主要部分，即8通道A／D和1通道D／A部分，DSP最小系統(tǒng)及DSP的DMA與ISA總線的接口。如圖1所示。
1．2 A／D及D／A
該部分由9片A－Law CODEC芯片TP3057組成。其中8片構(gòu)成8通道A／D轉(zhuǎn)換器，另一片構(gòu)成D／A轉(zhuǎn)換器，直接由DSP控制。該芯片采樣數(shù)據(jù)是8 000×8 bit A－Law PCM數(shù)據(jù)，每通道數(shù)字信號的輸入和輸出是64 KbpsPCM同步串行碼流。數(shù)據(jù)傳輸碼流速率是2．048 Mb／s。8片A－Law CODEC均掛接在同一2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線上，2．048 Mb／s的數(shù)據(jù)分為32個時隙，每個通道的64Kbps數(shù)據(jù)的傳輸占用32個時隙中的一個。具體占用那一個時隙由時隙分配控制電路確定。
1．3 DSP最小系統(tǒng)
DSP是本系統(tǒng)核心部分，它完成對2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線的控制，及對高達2．048 Mb／s串行數(shù)據(jù)碼流的采集、8路輸入語音的壓縮處理和1路語音的解壓縮處理。本系統(tǒng)采用的DSP是AnalogDevice公司的定點DSP，即ADSP－2181，其主要功能與特點如下：
?。?FONT face="Times New Roman">1）外接16．67 MHz晶振，指令周期為30 ns，33 MIPS運算速度，所有指令單周期執(zhí)行。
（2）提供一個16位的DMA（IDMA）口，用于高速存取片內(nèi)存儲器及裝載數(shù)據(jù)和程序。
（3）提供一個8位自舉DMA（BDMA）口，用于從自舉程序存儲器中裝載數(shù)據(jù)和程序。
（4）程序RAM 24Bit×16 K，數(shù)據(jù)RAM 16Bit×16 K。
（5）16位字長運算精度。
（6）提供兩個雙緩沖區(qū)的串口，具有硬件A／u律編解碼和自動緩沖（Auto－buffer）能力，其中的串口0具有多通道（Multichannel）的功能。
（7）提供6個外部中斷、13個可編程I／O引腳和JTAG仿真引腳。
由于DSP的上述功能和特點，使得DSP與A／D及D／A電路實現(xiàn)了無縫連接。其中串口0連接8路A／D的2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線，串口1連接D／A CODEC電路。由于DSP具有16 K的程序RAM和16 K的數(shù)據(jù)RAM，所以對于本系統(tǒng)無需外擴存儲器，即由單片DSP就構(gòu)成了本系統(tǒng)所需的最小DSP系統(tǒng)。
1．4 DSP的DMA與ISA總線的接口
ADSP2181片內(nèi)集成了一個直接訪問其內(nèi)部存儲器的16位DMA端口（IDMA PORT）。主機通過此接口可以直接訪問ADSP2181片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)存儲器的任一單元。因而主機可以通過此端口對DSP加載程序、下載程序、讀取片內(nèi)執(zhí)行的狀態(tài)、實現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌?FONT face="Times New Roman">IDMA端口總線的16位數(shù)據(jù)和地址是復(fù)用的。由于DSP的程序存儲器是24位的，而DMA的數(shù)據(jù)總線寬度是16位，故對程序存儲器操作時，分為兩次，先對高16位操作，然后接著對最低8位操作。通過IDMA端口的存、取操作分如下兩步進行：
·IDMA地址鎖定操作
通過IDMA的地址鎖存信號（IAL），將14比特的地址信息和1比特的存儲器類型信息通過IDMA總線，在地址鎖存信號（IAL）的降沿時被鎖入到DSP片內(nèi)的IDMA地址鎖存器。14比特地址信息確定了ADSP片內(nèi)的存儲器地址，而存儲器類型位用來區(qū)分操作是對程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器。
·數(shù)據(jù)存、取操作
當(dāng)?shù)刂沸畔⒈环湃氲?FONT face="Times New Roman">IDMAA寄存器中后，通過加IDMA的IWR，IRD信號，實現(xiàn)對片內(nèi)的指定地址的信息進行讀、寫操作。每次讀、寫操作后存儲器的地址值將自動的遞增，為下一次的讀寫操作做好準(zhǔn)備。
本系統(tǒng)中通過ISA總線的I／O操作及IDMA口對DSP的內(nèi)部存儲器進行訪問的。通過硬件譯碼滿足IDMA時序要求的控制信號IAL，IWR，IRD等及DSP的復(fù)位信號（RESET）。該接口占用了16個I／O地址空間。
1．5 通過IDMA端口裝載程序
ADSP2181通過兩種機制在上電、復(fù)位后自動裝載DSP程序。兩種機制由MMAP和BMODE兩個引腳的電平控制。當(dāng)MMAP＝0，BMODE＝1時，ADSP2181自動在系統(tǒng)復(fù)位時，通過IDMA端口由主機加載DSP程序。主機首先必須裝載除程序的第一條指令外其它程序和數(shù)據(jù)到DSP的片內(nèi)程序存儲器，最后才寫入對應(yīng)程序RAM第一個單元的第一條指令。一當(dāng)程序存儲器的0地址被寫入程序代碼后，DSP立即從地址0開始執(zhí)行程序。
2 8路語音信號的數(shù)據(jù)采集
8路語音數(shù)字信號通過一2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)?FONT face="Times New Roman">DSP。其中每個通道的數(shù)據(jù)是64 Kbps，每個通道占用2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線的32個時隙中的一個，因此，共占用8個時隙。DSP通過對時隙分配電路的控制給8個通道各分配一個時隙。這樣，8個通道的每個通道的數(shù)據(jù)都在由DSP指定的時隙中傳輸。
DSP的串口0是一個可編程的最大數(shù)據(jù)傳輸速率能達到4．096 Mb／s的同步串行口。DSP串口0的操作在接收到一個WORD或發(fā)送完一個WORD的數(shù)據(jù)時，從DSP內(nèi)部RAM讀、寫一個WORD的數(shù)據(jù)需要占用DSP的一個機器周期（33 ns），在接收和發(fā)送過程中不占用DSP的處理時間。由此可見，DSP的串口0具有很強的數(shù)據(jù)采集與控制能力。
利用串口0的較強的數(shù)據(jù)采集與控制能力，很容易實現(xiàn)通過2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線對8通道語音數(shù)字信號的采集與控制。首先，編程DSP的串口0的同步時鐘信號及幀同步信號分別為2 048 kHz和8 kHz，這兩個信號控制CODEC的A／D轉(zhuǎn)換速率和位傳送速率，同時同步時鐘信號還可供CODEC的A／D轉(zhuǎn)換的時鐘。再者，編程DSP的串口0工作于多通道模式，打開32個時隙中對應(yīng)的8通道的時隙接收，使對應(yīng)的每通道字（WORD）長為8位，選擇A－Law壓／擴，并打開自動緩沖功能并設(shè)置自動緩沖指針。當(dāng)如上對串口0初始化并打開串口0的接收中斷后，串口0將接收到的8 WORD的按A－Law解壓的數(shù)據(jù)存放在自動緩沖指針指向的長度為8的緩沖區(qū)中，自動緩沖指針自動回位，同時產(chǎn)生一個硬件接收中斷。
3 多路語音實時壓縮處理
3．1 壓縮算法
考慮到壓縮率的要求和實時的要求，在本系統(tǒng)中采用13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼算法［GSM］，該算法的特點是在模型編碼算法中較為簡單，語音質(zhì)量高達到了通信等級，同時具有較高的壓縮率。該算法的編碼算法包括以下幾個主要部分：
3．1．1 預(yù)處理部分
去除原始語音信號S0（n）中的直流分量得到S0f（n），再通過一階的FIR濾波器進行高頻預(yù)加重，得到信號S（n）。
3．1．2 LPC分析
按每160個樣本點將信號S（n）進行分幀，對每幀數(shù)據(jù)計算出8個LPC反射系數(shù)γ（i），i＝0，1，2，…，7；再轉(zhuǎn)換成對數(shù)面積比參數(shù)LAR（i），i＝1，2…7；并對所得的LAR（i）進行量化編碼得到LARC。
3．1．3 短時分析濾波
短時分析濾波是一個8級格型濾波器，通過短時分析濾波，得到線性預(yù)測（LP）余量d（n）。
3．1．4 長時預(yù)測
利用長時預(yù)測綜合對LP短時余量信號d（n）處理以進一步的去除冗余度。長時預(yù)測是按子幀進行處理的，每一幀分成4個子幀。
3．1．5 規(guī)則脈沖編碼
對經(jīng)過短時、長時預(yù)測后得到的LP余量信號，進行加權(quán)濾波、規(guī)則脈沖提取和量化編碼。
在本系統(tǒng)的DSP上該算法實時實現(xiàn)性能如下：
·碼流速率13 Kb／s
·編碼運算量 3 MIPS
·解碼運算量 0．7 MIPS
·程序量 2 KWORD
·占用數(shù)據(jù)RAM 1 KWORD
3．2 多路語音實時壓縮處理的軟件實現(xiàn)
由于實時實現(xiàn)13 Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法只占用了DSP的3MIPS的運算量，而解碼運算量為0．7 MIPS故在本系統(tǒng)的具有33 MIPS的運算速度的DSP上，可軟件實時實現(xiàn)多達10通道的13Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法和1通道的解碼算法。同時，還有2MIPS的運算速度用于系統(tǒng)控制與管理。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，已成功實現(xiàn)了8通道的13Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法和1通道的解碼算法。因此，本系統(tǒng)的DSP在完成要求的多路語音采集與壓縮處理任務(wù)的條件下，還有一定的處理能力用于系統(tǒng)其它的擴展處理上。本系統(tǒng)的多路語音實時壓縮處理的系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。
由圖2可以看出，軟件設(shè)計主要包括4大部分：
·命令解釋與控制模塊
·13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼模塊
·多通道語音編解碼控制模塊
·接口功能模塊
3．2．1 命令解釋與控制模塊
命令解釋與控制模塊主要是用于解釋由PC機通過IDMA口發(fā)來的各種命令，如發(fā)送或接收編解碼數(shù)據(jù)、設(shè)置PC機與DSP的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小、查詢編解碼狀態(tài)以及啟動，停止編解碼操作等。該模塊不直接與PC機打交道，而是通過接口功能模塊，間接實現(xiàn)與主CPU的數(shù)據(jù)信息交換。
3．2．2 13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼模塊
該模塊是一個單通道13 Kb／sRPE－LTP－LP語音編解碼模塊。它是本系統(tǒng)的語音壓縮處理的核心部分，為使該模塊具有通用性，為該模塊單獨形成一個ADSP－2100系列語言庫，可與任何其它ADSP－2100系列模塊相連。
3．2．3 多通道語音編解碼控制模塊
該模塊基于單通道13 Kb／sRPE－LTP－LP語音編解碼模塊，實現(xiàn)多通道語音編碼和單通道語音解碼。對于多通道語音編碼，一方面，當(dāng)某通道采集到一幀160點的語音數(shù)據(jù)時，調(diào)用語音編碼模塊對該幀進行編碼，并將編碼后的語音數(shù)據(jù)按約定的格式存放到各通道的編碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；另一方面，由于語音的模型編碼是前后幀相關(guān)聯(lián)的，所以該模塊還必須將當(dāng)前通道的當(dāng)前幀編碼后的必須保存的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行保存，以及在調(diào)用語音編碼模塊對當(dāng)前幀進行編碼前，恢復(fù)上一幀編碼后的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。對于單通道語音解碼，則只需在接收到由PC機傳送來的壓縮數(shù)據(jù)后，調(diào)用解碼模塊，然后將解碼后的160點語音數(shù)據(jù)送到D／A的串口1發(fā)送緩沖區(qū)。
3．2．4 接口功能模塊
該模塊實現(xiàn)DSP與PC機的數(shù)據(jù)的實際交換工作，同時也實現(xiàn)DSP的數(shù)據(jù)采集與控制。由于它是軟件設(shè)計中唯一與硬件相關(guān)的模塊，故該模塊在設(shè)計上盡量與其它模塊獨立。這樣，當(dāng)硬件有所改變時，可不必改變其他模塊。
4 結(jié) 論
本系統(tǒng)由于采用了DSP技術(shù)，使得多路語音的采集和壓縮處理得以實時實現(xiàn)。同時還使系統(tǒng)具有較高的可編程性能?；谠撓到y(tǒng)的某語音記錄儀已經(jīng)通過省、部級的鑒定。本系統(tǒng)的成功設(shè)計說明數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用基于DSP技術(shù)，將大大提高系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)的實時采集和實時處理的能力。而且，當(dāng)今的DSP的處理速度和數(shù)據(jù)管理能力還在迅速地提高，其價格也降到能應(yīng)用于一般的應(yīng)用場合。如ADSP－21061，40 MIPS的運算速度，10個DMA控制器，40位浮點運算精度，數(shù)據(jù)管理能力可達240Mbytes／s，其售價也只有30～40美元。因此，開發(fā)和研究基于DSP技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)具有重要的實際意義。
參考文獻
1 戴禮榮，王仁華，宋 彥．高速DSP技術(shù)及其在通信中的應(yīng)用．合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1997，20（1）：90～962 王仁華，戴禮榮．當(dāng)代DSP及其在現(xiàn)代通信應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)．中興新通信，1998，4（1）：8～123 陳永彬，王仁華．語音信號處理．合肥：中國科學(xué)技術(shù) 大學(xué)出版社，1990．103～106
第一作者簡介 戴禮榮，男，副教授，1962年8月生。
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