低碼率語音編碼MELP聲碼器的SOPC實(shí)現(xiàn)
[導(dǎo)讀]利用語音編碼技術(shù)可有效降低信息存儲(chǔ)量、提高信道利用率?；旌霞?lì)線性預(yù)測(MELP)語音編碼算法能在較低碼率下提供較高的語音質(zhì)量、自然度和清晰度，已成為美國國防部新的2.4 Kb/s的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)。語音編碼技術(shù)在當(dāng)今
利用語音編碼技術(shù)可有效降低信息存儲(chǔ)量、提高信道利用率?；旌霞?lì)線性預(yù)測(MELP)語音編碼算法能在較低碼率下提供較高的語音質(zhì)量、自然度和清晰度，已成為美國國防部新的2.4 Kb/s的語音編碼標(biāo)準(zhǔn)。語音編碼技術(shù)在當(dāng)今數(shù)字通信尤其在無線系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。
Nios II處理器是Intel公司為Altera公司推出的32位精簡指令處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SOPC中加載Nios II軟核和相應(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有高速DSP功能的嵌入式處理器[1]。
由硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法通常比軟件實(shí)現(xiàn)更高效。利用Altera公司的Nios II嵌入式處理器的定制指令，可以把用戶自定義的功能直接添加到Nios II CPU的算術(shù)邏輯單元(ALU)中，以加快專項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行速度。自定義指令的優(yōu)勢(shì)就在于可以將程序代碼中的瓶頸部分改用硬件指令支持，用自定義的指令使程序得到加速。
1 MELP的構(gòu)成
MELP聲碼器的采樣率為8 kHz，每個(gè)樣點(diǎn)值用16 bit量化，每180個(gè)樣點(diǎn)為1幀，幀長22.5 ms，每幀量化bit數(shù)為54 bit，總的速率為2.4 Kb/s。
MELP聲碼器是建立在傳統(tǒng)的二元激勵(lì)LPC模型基礎(chǔ)上，采用了混合激勵(lì)、非周期脈沖、自適應(yīng)譜增強(qiáng)、脈沖整形濾波和傅氏級(jí)數(shù)幅度值等5項(xiàng)新技術(shù)，使得合成語音能更好地?cái)M合自然語音。圖1所示為MELP編解碼原理框圖[2]。
2 Nios II可嵌入軟核的特點(diǎn)
Nios嵌入式處理器是用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器，是一個(gè)非常靈活、強(qiáng)大的處理器，因此已成為世界上最流行的嵌入式處理器[3]；采用改進(jìn)的哈佛存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，CPU帶有分離的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器總線控制。SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具允許用戶容易地指定系統(tǒng)中Avalon控制器和從屬設(shè)備之間的連接，這些從屬設(shè)備可以是存儲(chǔ)器或外圍設(shè)備。
Nios指令總線為16位，用于從存儲(chǔ)器中讀取指令。Nios數(shù)據(jù)總線寬度為16位或32位，分別用于Nios CPU的16位或32位配置。
2.1 指令系統(tǒng)
Nios指令系統(tǒng)支持C和C++程序編譯，包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算、位操作、字節(jié)讀、數(shù)據(jù)傳送、流程控制和條件轉(zhuǎn)移等指令。指令系統(tǒng)包含豐富的尋址方式以減少代碼長度和提高處理器性能。
2.2 寄存器組
Nios CPU有1個(gè)大容量的窗口化的通用寄存器組、8個(gè)控制寄存器、1個(gè)程序計(jì)數(shù)器和1個(gè)用于指令前綴的K寄存器。通用寄存器在16位Nios CPU中是16位，在32位Nios CPU中是32位。寄存器組可配置為包含128、256或512個(gè)寄存器。軟件可以通過包含32個(gè)寄存器的滑動(dòng)窗口存取這些寄存器，滑動(dòng)窗口的移動(dòng)間隔是16個(gè)寄存器，且允許快速地進(jìn)行寄存器切換，加速子程序的調(diào)用和返回。
2.3 高速緩存
可配置的Nios CPU可以有選擇地包含指令和數(shù)據(jù)高速緩存。高速緩存通常通過提供局部存儲(chǔ)系統(tǒng)提高CPU的性能，這個(gè)局部存儲(chǔ)系統(tǒng)可以快速地響應(yīng)CPU產(chǎn)生的總線事件。Nios高速緩存的實(shí)現(xiàn)是采用簡單的直接映射的連續(xù)寫入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠用最少的器件資源獲得最大的性能[4]。
2.4 中斷處理
Nios處理器允許多達(dá)64個(gè)矢量中斷。中斷源有三類：外部硬件中斷、內(nèi)部中斷和軟件中斷。Nios中斷處理模式能夠準(zhǔn)確地處理所有內(nèi)部中斷。
用戶可以有選擇地禁止TRAP指令軟件中斷、硬件中斷和內(nèi)部中斷。這項(xiàng)選擇能夠減少Nios系統(tǒng)的大小，但只用于處理器不運(yùn)行復(fù)雜軟件的系統(tǒng)。
2.5 硬件加速
Nios指令系統(tǒng)可以利用硬件提高系統(tǒng)性能。特殊的周期密集型軟件操作可以用硬件顯著地提高系統(tǒng)性能，這種特性通過修改指令系統(tǒng)提供[5]。
Nios處理器有2種指令系統(tǒng)修改方法：自定義指令和標(biāo)準(zhǔn)CPU選項(xiàng)[6]。
2.5.1 自定義指令
開發(fā)者可以通過向Nios處理器指令系統(tǒng)中添加自定義指令加快時(shí)間要求嚴(yán)格的軟件算法，也可以用自定義指令在單周期和多周期操作中執(zhí)行復(fù)雜的處理任務(wù)。另外，用戶添加的自定義指令邏輯電路可以訪問Nios系統(tǒng)外的存儲(chǔ)器和邏輯電路。
復(fù)雜的操作序列可以在硬件中簡化為單指令的執(zhí)行。這種特性允許開發(fā)者為數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、分組標(biāo)題處理和計(jì)算密集操作優(yōu)化自己的軟件。
Altera公司的SOPC Builder軟件提供了一個(gè)圖形用戶界面(GUI)，開發(fā)者利用GUI可以向Nios嵌入式處理器中添加多達(dá)5個(gè)自定義指令。
2.5.2 標(biāo)準(zhǔn)CPU選項(xiàng)
Altera公司提供單獨(dú)的預(yù)定義指令來提高軟件性能。MUL和MSTEP指令就是與其他硬件一起實(shí)現(xiàn)的預(yù)定義指令。當(dāng)用戶在SOPC Builder中選擇這些CPU選項(xiàng)時(shí)，相關(guān)邏輯被增加到算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)。例如，如果用戶選擇執(zhí)行MUL指令，整數(shù)乘法器被自動(dòng)地添加到CPU的ALU中，并在2個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成16位與16位的乘法操作(相同的操作若用循環(huán)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)需要80個(gè)時(shí)鐘周期)。
3 MELP語音編碼的硬件構(gòu)成
硬件電路板由Altera公司的FPGA芯片EP2C8作為主控芯片，此外還包括：8 MB容量的SDRAM、2 MB容量的Flash、WM8731音頻芯片，自帶音頻D/A、A/D，為方便調(diào)試，另帶有串口。MELP語音編碼硬件構(gòu)成如圖2所示。
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為便于程序的調(diào)試，擴(kuò)充了RS-232串口，可與計(jì)算機(jī)串口直接互聯(lián)。8 MB容量的SDRAM可為Nios II軟核處理器運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)提供所需的存儲(chǔ)空間，2 MB容量的Flash也可為MELP的軟件編制提供存儲(chǔ)空間。WM8731音頻芯片提供快速的音頻編解碼數(shù)據(jù)碼流，并向揚(yáng)聲器傳輸解碼后的數(shù)據(jù)流。
WM8731是一個(gè)低功耗的立體聲Codec芯片，內(nèi)部集成了耳機(jī)放大功能，因此，WN8731也可以應(yīng)用于MD、DAT等設(shè)備[7]；內(nèi)建了24 bit(multi-bit)Σ-Δ三角模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，ADC和DAC都使用了超采樣數(shù)字插值技術(shù)；支持?jǐn)?shù)字音頻的位數(shù)可以是16 bit~32 bit，采樣率從8 kHz~96 kHz；立體聲音頻輸出帶有數(shù)據(jù)緩存和數(shù)字音量調(diào)節(jié)，WM8731通過2~3根的串行接口進(jìn)行控制，可工作于主從模式。在3.3 V信號(hào)電壓時(shí)ADC可以達(dá)到90 dB的信噪比，1. 8 V信號(hào)電壓時(shí)ADC可以達(dá)到85 dB的信噪比。3.3 V信號(hào)電壓時(shí)的DAC信噪比可以達(dá)到100 dB，1.8 V信號(hào)電壓時(shí)DAC信噪比也有95 dB。ADC和DAC的頻率響應(yīng)都在8 kHz~96 kHz之間，可以有選擇地使用ADC的高通濾波。一般情況下，WM8731都是在專業(yè)聲卡領(lǐng)域中使用。
各芯片之間的互聯(lián)通過引線連接到FPGA的IO腳。Nios II處理器的內(nèi)部總線通過定義引腳連到IO，這樣需要連接到Avavon總線的芯片可通過IO腳連到總線上。圖3所示為WM8731CODEC芯片與主芯片F(xiàn)PGA的連接。
串口方面，SDRAM及Flash使用Nios II自帶的基于Avalon總線的軟IP。
本文討論了MELP混合線性碼激勵(lì)的FPGA實(shí)現(xiàn)的硬件構(gòu)成，介紹了硬件主要組成芯片及MELP編解碼的主要框架，可以用于下一步軟件程序的編制。
Nios II處理器是Intel公司為Altera公司推出的32位精簡指令處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SOPC中加載Nios II軟核和相應(yīng)的外圍接口以及與定義相應(yīng)的自定義指令，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有高速DSP功能的嵌入式處理器[1]。
由硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法通常比軟件實(shí)現(xiàn)更高效。利用Altera公司的Nios II嵌入式處理器的定制指令，可以把用戶自定義的功能直接添加到Nios II CPU的算術(shù)邏輯單元(ALU)中，以加快專項(xiàng)任務(wù)的執(zhí)行速度。自定義指令的優(yōu)勢(shì)就在于可以將程序代碼中的瓶頸部分改用硬件指令支持，用自定義的指令使程序得到加速。
1 MELP的構(gòu)成
MELP聲碼器的采樣率為8 kHz，每個(gè)樣點(diǎn)值用16 bit量化，每180個(gè)樣點(diǎn)為1幀，幀長22.5 ms，每幀量化bit數(shù)為54 bit，總的速率為2.4 Kb/s。
MELP聲碼器是建立在傳統(tǒng)的二元激勵(lì)LPC模型基礎(chǔ)上，采用了混合激勵(lì)、非周期脈沖、自適應(yīng)譜增強(qiáng)、脈沖整形濾波和傅氏級(jí)數(shù)幅度值等5項(xiàng)新技術(shù)，使得合成語音能更好地?cái)M合自然語音。圖1所示為MELP編解碼原理框圖[2]。
2 Nios II可嵌入軟核的特點(diǎn)
Nios嵌入式處理器是用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器，是一個(gè)非常靈活、強(qiáng)大的處理器，因此已成為世界上最流行的嵌入式處理器[3]；采用改進(jìn)的哈佛存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，CPU帶有分離的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器總線控制。SOPC Builder系統(tǒng)開發(fā)工具允許用戶容易地指定系統(tǒng)中Avalon控制器和從屬設(shè)備之間的連接，這些從屬設(shè)備可以是存儲(chǔ)器或外圍設(shè)備。
Nios指令總線為16位，用于從存儲(chǔ)器中讀取指令。Nios數(shù)據(jù)總線寬度為16位或32位，分別用于Nios CPU的16位或32位配置。
2.1 指令系統(tǒng)
Nios指令系統(tǒng)支持C和C++程序編譯，包括算術(shù)和邏輯運(yùn)算、位操作、字節(jié)讀、數(shù)據(jù)傳送、流程控制和條件轉(zhuǎn)移等指令。指令系統(tǒng)包含豐富的尋址方式以減少代碼長度和提高處理器性能。
2.2 寄存器組
Nios CPU有1個(gè)大容量的窗口化的通用寄存器組、8個(gè)控制寄存器、1個(gè)程序計(jì)數(shù)器和1個(gè)用于指令前綴的K寄存器。通用寄存器在16位Nios CPU中是16位，在32位Nios CPU中是32位。寄存器組可配置為包含128、256或512個(gè)寄存器。軟件可以通過包含32個(gè)寄存器的滑動(dòng)窗口存取這些寄存器，滑動(dòng)窗口的移動(dòng)間隔是16個(gè)寄存器，且允許快速地進(jìn)行寄存器切換，加速子程序的調(diào)用和返回。
2.3 高速緩存
可配置的Nios CPU可以有選擇地包含指令和數(shù)據(jù)高速緩存。高速緩存通常通過提供局部存儲(chǔ)系統(tǒng)提高CPU的性能，這個(gè)局部存儲(chǔ)系統(tǒng)可以快速地響應(yīng)CPU產(chǎn)生的總線事件。Nios高速緩存的實(shí)現(xiàn)是采用簡單的直接映射的連續(xù)寫入結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠用最少的器件資源獲得最大的性能[4]。
2.4 中斷處理
Nios處理器允許多達(dá)64個(gè)矢量中斷。中斷源有三類：外部硬件中斷、內(nèi)部中斷和軟件中斷。Nios中斷處理模式能夠準(zhǔn)確地處理所有內(nèi)部中斷。
用戶可以有選擇地禁止TRAP指令軟件中斷、硬件中斷和內(nèi)部中斷。這項(xiàng)選擇能夠減少Nios系統(tǒng)的大小，但只用于處理器不運(yùn)行復(fù)雜軟件的系統(tǒng)。
2.5 硬件加速
Nios指令系統(tǒng)可以利用硬件提高系統(tǒng)性能。特殊的周期密集型軟件操作可以用硬件顯著地提高系統(tǒng)性能，這種特性通過修改指令系統(tǒng)提供[5]。
Nios處理器有2種指令系統(tǒng)修改方法：自定義指令和標(biāo)準(zhǔn)CPU選項(xiàng)[6]。
2.5.1 自定義指令
開發(fā)者可以通過向Nios處理器指令系統(tǒng)中添加自定義指令加快時(shí)間要求嚴(yán)格的軟件算法，也可以用自定義指令在單周期和多周期操作中執(zhí)行復(fù)雜的處理任務(wù)。另外，用戶添加的自定義指令邏輯電路可以訪問Nios系統(tǒng)外的存儲(chǔ)器和邏輯電路。
復(fù)雜的操作序列可以在硬件中簡化為單指令的執(zhí)行。這種特性允許開發(fā)者為數(shù)字信號(hào)處理(DSP)、分組標(biāo)題處理和計(jì)算密集操作優(yōu)化自己的軟件。
Altera公司的SOPC Builder軟件提供了一個(gè)圖形用戶界面(GUI)，開發(fā)者利用GUI可以向Nios嵌入式處理器中添加多達(dá)5個(gè)自定義指令。
2.5.2 標(biāo)準(zhǔn)CPU選項(xiàng)
Altera公司提供單獨(dú)的預(yù)定義指令來提高軟件性能。MUL和MSTEP指令就是與其他硬件一起實(shí)現(xiàn)的預(yù)定義指令。當(dāng)用戶在SOPC Builder中選擇這些CPU選項(xiàng)時(shí)，相關(guān)邏輯被增加到算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)。例如，如果用戶選擇執(zhí)行MUL指令，整數(shù)乘法器被自動(dòng)地添加到CPU的ALU中，并在2個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成16位與16位的乘法操作(相同的操作若用循環(huán)的軟件程序?qū)崿F(xiàn)需要80個(gè)時(shí)鐘周期)。
3 MELP語音編碼的硬件構(gòu)成
硬件電路板由Altera公司的FPGA芯片EP2C8作為主控芯片，此外還包括：8 MB容量的SDRAM、2 MB容量的Flash、WM8731音頻芯片，自帶音頻D/A、A/D，為方便調(diào)試，另帶有串口。MELP語音編碼硬件構(gòu)成如圖2所示。
[!--empirenews.page--]
為便于程序的調(diào)試，擴(kuò)充了RS-232串口，可與計(jì)算機(jī)串口直接互聯(lián)。8 MB容量的SDRAM可為Nios II軟核處理器運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)提供所需的存儲(chǔ)空間，2 MB容量的Flash也可為MELP的軟件編制提供存儲(chǔ)空間。WM8731音頻芯片提供快速的音頻編解碼數(shù)據(jù)碼流，并向揚(yáng)聲器傳輸解碼后的數(shù)據(jù)流。
WM8731是一個(gè)低功耗的立體聲Codec芯片，內(nèi)部集成了耳機(jī)放大功能，因此，WN8731也可以應(yīng)用于MD、DAT等設(shè)備[7]；內(nèi)建了24 bit(multi-bit)Σ-Δ三角模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，ADC和DAC都使用了超采樣數(shù)字插值技術(shù)；支持?jǐn)?shù)字音頻的位數(shù)可以是16 bit~32 bit，采樣率從8 kHz~96 kHz；立體聲音頻輸出帶有數(shù)據(jù)緩存和數(shù)字音量調(diào)節(jié)，WM8731通過2~3根的串行接口進(jìn)行控制，可工作于主從模式。在3.3 V信號(hào)電壓時(shí)ADC可以達(dá)到90 dB的信噪比，1. 8 V信號(hào)電壓時(shí)ADC可以達(dá)到85 dB的信噪比。3.3 V信號(hào)電壓時(shí)的DAC信噪比可以達(dá)到100 dB，1.8 V信號(hào)電壓時(shí)DAC信噪比也有95 dB。ADC和DAC的頻率響應(yīng)都在8 kHz~96 kHz之間，可以有選擇地使用ADC的高通濾波。一般情況下，WM8731都是在專業(yè)聲卡領(lǐng)域中使用。
各芯片之間的互聯(lián)通過引線連接到FPGA的IO腳。Nios II處理器的內(nèi)部總線通過定義引腳連到IO，這樣需要連接到Avavon總線的芯片可通過IO腳連到總線上。圖3所示為WM8731CODEC芯片與主芯片F(xiàn)PGA的連接。
串口方面，SDRAM及Flash使用Nios II自帶的基于Avalon總線的軟IP。
本文討論了MELP混合線性碼激勵(lì)的FPGA實(shí)現(xiàn)的硬件構(gòu)成，介紹了硬件主要組成芯片及MELP編解碼的主要框架，可以用于下一步軟件程序的編制。
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