適于語音處理的SDA80D51芯片及其數(shù)字錄放音系統(tǒng)

來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：清華大學(xué) 柳 遠(yuǎn) 劉 加 劉潤生 摘要：sda80d51 unispeech是infineon公司新推出的具有dsp和單片機雙核的芯片。介紹了該芯片的組成框圖及各功能模塊，并且用該芯片完成一個硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了語音的g.723.1編碼存儲和解碼放音。 關(guān)鍵詞：g.723.1 sigma-delta調(diào)制 前后臺 目前市場上有很多語音錄放系統(tǒng)，如錄放音玩具、錄音筆等，大多采用了單片機控制一個語音芯片，再接一個flash存儲器的結(jié)構(gòu)。由于語音芯片都是固定的編碼算法，使得系統(tǒng)用途單一，不利于進一步改進，缺乏靈活性，如日本oki公司的msm6588只能完成adpcm編碼。 用sda80d51芯片實現(xiàn)的語音錄放音系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件簡單、工作可靠。所有的編解碼算法都由軟件來完成，設(shè)計者可以編制自己的軟件，完成不同的功能。它既可以作為簡單的數(shù)字錄放音系統(tǒng)，也可以通過改變程序做語音識別、語音合成等多種系統(tǒng)。用途靈活、功能強大。該系統(tǒng)選用g.723.1語音編解碼算法來完成語音的錄放。 1 sda80d51芯片介紹sda80d51芯片是德國infineon公司生產(chǎn)的適合語音處理的芯片，它采用0.18μm工藝，核的工作電壓為1.8v，i/o電壓為3.3v,模擬codec部分電壓2.5v，功耗是150mw。該芯片相當(dāng)于一個片上系統(tǒng)（soc），內(nèi)部集成了許多功能模塊，如圖1所示。由于它集成了許多功能模塊，如圖1所示。由于它集成了許多功能塊，幾乎只需要一片芯片就能完成語音處理和系統(tǒng)控制。 該芯片含有兩個處理器，分別是16位dsp（oak）和8位mcu（m8051 e-warp）。m8051 e-warp核由美國mentor graphics公司設(shè)計，它是與一般8051兼容的mcu，具有很多的增強功能，最高工作速度可達50mips（million instruction per second），是目前為止最快的增強8051。傳統(tǒng)8051的一個機器周期是12個時鐘周期，而這個核心只需2個時鐘周期，速度傳統(tǒng)8051的6倍。許多指令都能在一個機器周期內(nèi)完成。由于指令與8051兼容，使得程序員不用花許多時間學(xué)習(xí)新指令，而直接采用傳統(tǒng)的8051編程方式就行。芯片集成有jtag口，用mentor graphics公司的fs2（first silicon solutions）仿真器就可以實現(xiàn)在線仿真。oak核是美國dsp group公司設(shè)計的16位低功耗、低電壓和高速定點dsp。采用雙金屬cmos，在0.6μm或0.5μm以下工藝生產(chǎn)。工作電壓范圍在2.7v～5.5v。在5v 80mhz工作條件下，消耗電流38ma；在3.3v 80mhz條件下，消耗電流25ma。該核采用harvard總線結(jié)構(gòu)，工作速度可達100mips。 codec部分由i2s、adc和dac組成。i2s口可用來外接一些通用的模/數(shù)芯片。兩路的12位8khz采樣率的adc，可接峰峰值為1.03v的差分電壓。片內(nèi)有數(shù)字agc，可放大0到42db(8檔，6db步長)；模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用sigma-delta調(diào)制技術(shù)并經(jīng)過一度的換算，得到16bit的pcm碼流，送往處理器。兩路11位8khz采樣率的dac可軟件調(diào)節(jié)增益，可放大0到-18db(-6db步長)。所有codec部分可通過asi接口連到oak或m8051上。 sda80d51芯片還有i2c、spi和pwm接口模塊，可以通過m8051來控制。另外在不同版本的芯片上還有多達50到250之間的gpio（通用的輸入輸出口），這可以保證系統(tǒng)控制的靈活性。 該芯片最有特點的功能模塊是存儲器管理單元mmu（memory manage unit），它可以管理兩個核的存儲區(qū)映射。物理存儲器（ram或rom）被看成由多個塊組成，每個塊的大小在不同版本的芯片上定義是不同的，本系統(tǒng)中，塊的大小是16k字節(jié)（或8k節(jié)）。mmu既可以把塊（8k字）映射給oak的程序區(qū)或數(shù)據(jù)區(qū)，也可以把塊（16k字節(jié)）映射給m8051的程序區(qū)或數(shù)據(jù)區(qū)。這些完全由寫m8051的特殊功能寄存器來完成。存儲空間的自由掛接使得完成兩個核之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變得非常容易。此外，程序裝載和啟動也需要mmu的控制。 整個芯片的工作方式是m8051作為主控制芯片，完成對各種接口的控制和系統(tǒng)的配置。oak作為協(xié)處理器，完成語音編解碼算法等計算。兩個核之間還有兩個64字深的fifo。它們用于雙核通信。 2 g.723.1語音編解碼語音編解碼算法一般分為三類：波形編碼、參數(shù)編碼（聲碼器）和混合編碼。波形編碼技術(shù)是在不建立語音模型的情況下，直接對語音波形用編碼方式逼近，可有時域的脈沖編碼調(diào)制和變換域編碼；參數(shù)編碼是在一定的語音模型基礎(chǔ)上，在編碼端分析出該模型參數(shù)，并選擇適當(dāng)?shù)姆绞綄ζ溥M行高效率的編碼，而在解碼端利用這些參數(shù)和語音模型，用合適的激勵源（excitation）重新合成語音；混合編碼則保留了參數(shù)編碼的語音模型的假定，又利用了波形編碼的準(zhǔn)則優(yōu)化激勵信號。 g.723.1算法屬于混合編碼。語音模型是基于線性預(yù)測理論的全極點模型。輸入是16bit的pcm碼流，然后采用