dsp語音信號(hào)壓縮A律

1、沈陽理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院DSP課程設(shè)計(jì)報(bào)告語音信號(hào)壓縮（A律）緒論語言是人們最重要的交流工具，語音信號(hào)處理是語音學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理相結(jié)合的交叉學(xué)科，同時(shí)又與心理聲學(xué)、語言學(xué)、模式識(shí)別和人工智能等學(xué)科相聯(lián)系。既依賴這些學(xué)科的發(fā)展，又可以促進(jìn)這些學(xué)科的進(jìn)步。近年來，隨著多媒體信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字語音壓縮技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其在可視電話、IP網(wǎng)絡(luò)電話、數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、公共交換電話網(wǎng)和話音存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域中，需要在保證語音一定質(zhì)量的前提下盡可能降低其編碼比特率，便于在有限的傳輸帶寬內(nèi)讓出更多的信道用于傳送圖像、文檔、計(jì)算機(jī)文件和其他數(shù)據(jù)流。本文通過研究A律

2、壓縮算法的應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的壓縮。近年來，DSP技術(shù)在我國也得到了迅速的發(fā)展，不論是在科學(xué)技術(shù)研究，還是在產(chǎn)品的開發(fā)等方面，在數(shù)字信號(hào)處理中，其應(yīng)用越來越廣泛，并取得了豐碩的成果。數(shù)字濾波占有極其重要的地位。一個(gè)完備的語音信號(hào)處理系統(tǒng)不但要具備語音信號(hào)的采集和回放功能，而且更重要的是要能完成復(fù)雜的語音信號(hào)分析和處理處理算法，通常這些算法運(yùn)算量大，而且又要滿足實(shí)時(shí)或準(zhǔn)時(shí)的快速高效處理要求，因此需采用高速DSP芯片，另外，在要求系統(tǒng)滿足較好的通用性的同時(shí)，針對(duì)不同的應(yīng)用和不斷出現(xiàn)的新的處理方法，還要使系統(tǒng)便于功能的改進(jìn)和擴(kuò)展。為此，我們以PC機(jī)為主機(jī)，以TMS320C50為信號(hào)處理核心設(shè)計(jì)了該

3、系統(tǒng)，TMS320C50是美國Texas Instrument 公司的16位定點(diǎn)DSP產(chǎn)品，它包括改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，高性能CPU,片內(nèi)存儲(chǔ)器，在外圍接口以及一套高效的泄編指令集，計(jì)算速度可達(dá)40Mips且性能價(jià)格比較好。摘 要 本文簡要闡述了語音信號(hào)壓縮A律的基本原理，可以將高位的數(shù)據(jù)壓縮成低位的數(shù)據(jù)，它適用于聲音信號(hào)的播放和傳輸系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中借助MATLAB信號(hào)處理工具箱FDAtool工具設(shè)計(jì)了語音信號(hào)壓縮系數(shù)，然后在CCS中以TMS320C55x芯片的匯編語言編程實(shí)現(xiàn)了該語音信號(hào)壓縮。利用MATLAB設(shè)計(jì)語音信號(hào)壓縮，可以隨時(shí)對(duì)比設(shè)計(jì)要求和語音信號(hào)壓縮特性調(diào)整參數(shù)，直觀簡便，極大的減輕了工作

4、量，有利于語音信號(hào)壓縮設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。另外文中還介紹CCS開發(fā)環(huán)境。文中所給程序已經(jīng)經(jīng)過軟件仿真驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的語音信號(hào)壓縮符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：DSP；語音信號(hào)壓縮；MATLAB；Code Composer Studio(CCS)；TMS320C55x1 語音信號(hào)壓縮A律設(shè)計(jì)任務(wù)及目的1.1 語音信號(hào)壓縮A律設(shè)計(jì)任務(wù)（1）完成語音信號(hào)采集；（2）對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行A律壓縮；（3）.傳輸壓縮后的信號(hào)1.2 語音信號(hào)壓縮A律設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)的目的在于通過使用DSP的程序設(shè)計(jì)完成對(duì)語音信號(hào)的壓縮，既可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，也可以通過硬件實(shí)現(xiàn)。進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，并在CCS軟件環(huán)境下進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)也加深學(xué)生對(duì)數(shù)字信號(hào)

5、處理器的常用指標(biāo)和設(shè)計(jì)過程的理解。2 TMS320C55X的硬件結(jié)構(gòu)2.1C55X的CPU體系結(jié)構(gòu)C55X有1條32位的程序數(shù)據(jù)總線（PB），5條16位數(shù)據(jù)總線（BB、CB、DB、EB、FB）和1條24位的程序地址總線及5條23位地址總線，這些總線分別與CPU相連?？偩€通過存儲(chǔ)單元接口（M）與外部程序總線和數(shù)據(jù)總線相連，實(shí)現(xiàn)CPU對(duì)外部存儲(chǔ)器的訪問。這種并行的多總線結(jié)構(gòu)，使CPU能在一個(gè)CPU周期內(nèi)完成1次32位程序代碼讀、3次16位數(shù)據(jù)讀和兩次16位數(shù)據(jù)寫。C55X根據(jù)功能的不同將CPU分為4個(gè)單元，指令緩沖單元（I）、程序流程單元（P）、地址流程單元（A）、和數(shù)據(jù)計(jì)算單元（D）。讀程序地址

6、總線（PDA）上傳送24位的程序代碼地址，由讀程序總線（PB）將32位的程序代碼送入指令緩沖單元進(jìn)行譯碼。2.2 指令緩沖單元（I）C55X的指令緩沖單元有指令緩沖隊(duì)列IBQ和指令譯碼器組成。在每個(gè)CPU周期內(nèi)，I單元將從程序數(shù)據(jù)接收的4B程序代碼放入指令緩沖隊(duì)列，指令譯碼器從隊(duì)列中取6B程序代碼，根據(jù)指令的長度可對(duì)8位、16位、24位、32位和48位的變長指令進(jìn)行譯碼，然后把譯碼數(shù)據(jù)送入P單元、A單元和D單元去執(zhí)行。2.3 程序流程單元（P）程序流程單元有程序地址產(chǎn)生電路和寄存器組湊成。程序流程單元產(chǎn)生所有程序空間的地址，并控制指令的讀取順序。程序地址產(chǎn)生邏輯電路的任務(wù)是產(chǎn)生讀取空間的24位

7、地址。一般情況下，它產(chǎn)生的是連續(xù)地址，如果指令要求讀取非連續(xù)地址的程序代碼時(shí)，程序地址產(chǎn)生邏輯電路能夠接收來自I單元的立即數(shù)和來自D單元的寄存器值，并將產(chǎn)生的地址傳送到PAB。在P單元中使用的寄存器分為5種類型。程序流寄存器：包括程序計(jì)數(shù)器、返回地址寄存器和控制流程關(guān)系寄存器。塊重復(fù)寄存器：包括塊重復(fù)寄存器0和1（BRC0、BRC1）BRC1的保存寄存器(BRS1)、塊重復(fù)起始地址寄存器0和1以及塊重復(fù)結(jié)束地址寄存器0和1。單重復(fù)寄存器：包括單重復(fù)寄存器和計(jì)算單重復(fù)寄存器。中斷寄存器：包括中斷標(biāo)志寄存器0和1、中斷使能寄存器0和1以及調(diào)試中斷使能寄存器0和1。狀態(tài)奇存期：包括狀態(tài)寄存器0，1，

8、2和3。2.4 地址程序單元（A）地址程序單元包括數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路、算術(shù)邏輯電路和寄存器組構(gòu)成。數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生電路能夠接收來自I單元的立即數(shù)和來自A單元的寄存器產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)空間的地址。對(duì)于使用間接尋址模式的指令，有P單元向DAGEN說明采用的尋址模式。A單元包括一個(gè)16位的算術(shù)邏輯單元，它既可以接收來自I單元的立即數(shù)也可以與存儲(chǔ)器、I/O空間、A單元寄存器、D單元寄存器和P單元寄存器進(jìn)行雙向通信。A單元包括的寄存器有以下幾種類型。數(shù)據(jù)頁寄存器：包括數(shù)據(jù)頁寄存器和接口數(shù)據(jù)頁寄存器；指針：包括系數(shù)數(shù)據(jù)指針寄存器、堆棧針寄存器和8個(gè)輔助寄存器；循環(huán)緩沖寄存器:包括循環(huán)緩沖大小寄存器、循環(huán)緩沖起始地址寄

9、存器;臨時(shí)寄存器：包括臨時(shí)寄存器。2.5 數(shù)據(jù)計(jì)算單元（D）數(shù)據(jù)計(jì)算單元由移位器、算數(shù)邏輯電路、乘法累加器和寄存器組構(gòu)成。D單元包含了CPU的主要運(yùn)算部件。D單元移位器能夠接收來自I單元的立即數(shù)，能夠與存儲(chǔ)器、I/O單元、A單元寄存器、D單元寄存器和P單元寄存器進(jìn)行雙向通信，此外，還可以向D單元的ALU和A單元的ALU提供移位后的數(shù)據(jù)。移位可以完成以下操作：對(duì)40位的累加器可以完成向左最多32位的移位操作，移位數(shù)樂意從零食寄存器讀取或由指令中的常數(shù)提供；對(duì)于16位寄存器、存儲(chǔ)器或I/O空間數(shù)據(jù)可完成左移31位或32位的移位操作；對(duì)于16位立即數(shù)可完成向左移最多15位的移位操作。3 語音信號(hào)壓縮

10、(A律)簡介而作為語音信號(hào)處理的主要應(yīng)用分支之一的語音壓縮，又稱為語音編解碼，通過減少語音信號(hào)的冗余度和利用人耳掩蔽等特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，目的是有利于存儲(chǔ)、數(shù)字傳輸，節(jié)省帶寬。 像ITU G.7xx、AMR等都是指語音編碼的標(biāo)準(zhǔn)，GSM、3G手機(jī)中的語音通信以及電話錄音等都離不開語音編碼。雖然現(xiàn)在硬盤空間越來越大，網(wǎng)絡(luò)帶寬也越來越寬了，但還是有必要進(jìn)行語音壓縮。這是因?yàn)椋郧翱紤]存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的成本，需要將語音信號(hào)壓縮到很低碼率才能傳輸，同時(shí)語音質(zhì)量也相應(yīng)變差了，后來硬盤便宜了，網(wǎng)絡(luò)寬了，大家更關(guān)注語音質(zhì)量了，因此語音信號(hào)壓縮的碼率提高了，再后來又出現(xiàn)了寬帶語音編碼、多聲道語音編碼、超寬帶語音編

11、碼等等。其實(shí)，最后它依賴于客戶的需求和實(shí)現(xiàn)成本的權(quán)衡，在有些領(lǐng)域，如玩具、字典、學(xué)習(xí)機(jī)等更關(guān)注存儲(chǔ)器的成本，同時(shí)希望語音質(zhì)量能夠盡可能的好；有些領(lǐng)域，如電話錄音、視頻監(jiān)控等，會(huì)更注重語音質(zhì)量或者說也沒有必要過分壓縮（語音帶寬相比視頻帶寬根本不值一提）；同時(shí)還有一些領(lǐng)域，如衛(wèi)星通信、軍事低碼率通信、地下救援通信等特殊應(yīng)用就需要有較低的碼率，是離不開語音壓縮的。4 語音信號(hào)壓縮（A律）原理PCM（Pulse Code Modulation）編碼即脈沖編碼調(diào)制，也就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)碼，然后再轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的方法。幾種常見的二進(jìn)制編碼格式如下：量化電平自然二進(jìn)制偏移二進(jìn)制2補(bǔ)碼反射二進(jìn)制折疊

12、二進(jìn)制711111110111100001116110111001101001011051011101010110110101410011000100101001003011101100111110001120101010001011110010100110010001110100010000100000001100000001000101111111010010012011011100101101030101110101111011401001100011011005001110110010110160010101000111110700011001000111118000010000000

13、表4.1常見的二進(jìn)制編碼格式A律壓縮編碼壓縮碼是CCITT（Consultative Committee for International Telegraph and Telephone）國際電報(bào)電話協(xié)會(huì)最早推出的G.711語音壓縮解壓編碼的一種格式的主要內(nèi)容。其中歐洲和中國等國家采用A律壓縮解壓編碼。A律壓縮的數(shù)學(xué)解析式為：y = ，y = ,。 式中：y為輸出信號(hào)；x為輸入信號(hào)；A為壓縮系數(shù)。    由上式得知，小信號(hào)時(shí)為線性特性，大信號(hào)時(shí)近似為對(duì)數(shù)特性。這種壓擴(kuò)特性常把壓縮、量化和編碼合為一體。A律可用13段折線逼近(相當(dāng)于A=87.6)，便于用

14、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。13段折線的壓縮特性如圖1所示。圖3.2分段為x取正值時(shí)的情況，而x取負(fù)值時(shí)，壓擴(kuò)特性與x取正值成奇對(duì)稱，在正8段和負(fù)8段中，正1、2段和負(fù)1、2段斜率相同，合為一段，所以原來的16段折線變?yōu)?3段折線。圖4.1 A律壓縮曲線圖3.3是DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮解壓的簡單流程，DSP將傳輸來的壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓成16位或者32位，然后對(duì)解壓后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理；然后將處理后的數(shù)據(jù)按照要求壓縮成8位的數(shù)據(jù)格式輸出到相應(yīng)設(shè)備，供其他設(shè)備讀取。16DRB32CPUDRRRJUST 壓縮RBRRSR16BDXCPUDXR壓縮XSR圖4.2 DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮解壓的簡單流程表4.2 A律數(shù)據(jù)壓

15、縮表12位碼（十進(jìn)制）量 階符號(hào)位段落碼（二進(jìn)制）段內(nèi)碼（二進(jìn)制）015100000000111116311000100001111326320010000011116412740011000011111282558010000001111256511160101000011115121023320110000011111024204764011100001111段內(nèi)碼，表示值為15在進(jìn)行A律壓縮時(shí)，對(duì)于采樣到的12位數(shù)據(jù)，默認(rèn)其最高位為符號(hào)位，壓縮時(shí)要保持最高位即符號(hào)位不變，原數(shù)據(jù)的后11位要壓縮成7位。這7位碼由3位段落碼和4位段內(nèi)碼組成。具體的壓縮變換后的數(shù)據(jù)根據(jù)后11位數(shù)據(jù)大小決定。具

16、體的編譯碼表如表5.2所示。壓縮后的數(shù)據(jù)的最高位（第7位）表示符號(hào)，量階分別為1、1、2、4、8、16、32、64，由壓縮后數(shù)據(jù)的第6位到第4位決定，第3位到第0位是段內(nèi)碼。壓縮后的數(shù)據(jù)有一定的失真。有些數(shù)據(jù)不能表示出，只能取最近該數(shù)據(jù)的壓縮值。例如，數(shù)據(jù)125，壓縮后的值為00111111，意義如下：0 011 1111段落碼，表示量階為4，起始數(shù)據(jù)為64符號(hào)位，0表示正數(shù)最終結(jié)果為644×15124 ，實(shí)現(xiàn)了壓縮。5 CCS概述 CCS，即Code Composer Studio，是TI公司在1999年推出的一個(gè)開放、具有強(qiáng)大集成開發(fā)環(huán)境。它最初是由GO DSP公司為TI的C60

17、00系列DSP開發(fā)的。在TI收購了GO DSP后，將CCS擴(kuò)展到了其它系列?，F(xiàn)在所有TI的DSP都可以使用CCS進(jìn)行開發(fā)，但是其中的DSPBIOS功能只有C5000和C6000的CCS中才提供。以前的DSP軟件開發(fā)都是在一個(gè)分散的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行，程序的編寫、代碼的生成以及調(diào)試等都是要通過命令來完成，類似于以前的DOS，十分煩雜。而CCS的出現(xiàn)是DSP開發(fā)軟件的一次革命性的變化。CCS主要由代碼生成工具、CCS集成開發(fā)環(huán)境、DSPBIOS和API函數(shù)以及RTDX組成。CCS提供了基本的代碼生成工具，它們具有一系列的調(diào)試、分析能力。CCS支持如下所示的開發(fā)周期的所有階段。圖5.1 CCS開發(fā)周期階

18、段CCS提供了配置、建立、調(diào)試、跟蹤和分析程序的工具，它便于實(shí)時(shí)、嵌入式信號(hào)處理程序的編制和測(cè)試，它能夠加速開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。集成可視化代碼編輯界面，可以方便地直接編寫C、匯編、.h文件、.cmd文件等。集成代碼生成工具，包括匯編器、優(yōu)化的C編譯器和連接器等。具有完整的基本調(diào)試工具，可以載入執(zhí)行文件(.out)，查看寄存器窗口、存儲(chǔ)器窗口和變量窗口、反匯編窗口等，支持在C源代碼級(jí)進(jìn)行調(diào)試。支持多片DSP聯(lián)合調(diào)試。斷點(diǎn)工具，支持硬件斷點(diǎn)、數(shù)據(jù)空間讀/寫斷點(diǎn)、條件斷點(diǎn)等。探針工具，用于進(jìn)行算法仿真，數(shù)據(jù)監(jiān)視等。剖析工具，用于評(píng)估代碼執(zhí)行的時(shí)間。數(shù)據(jù)圖形顯示工具，可繪制時(shí)域/頻域波形、眼圖、星

19、座圖等，并可以自動(dòng)刷新。提供GEI工具，用戶可以根據(jù)需要編寫自己的控制面板/菜單，從而方便直觀地修改變量，配置參數(shù)。6語音信號(hào)壓縮（A律）軟件實(shí)現(xiàn)6.1 軟件實(shí)現(xiàn)步驟6.1.1準(zhǔn)備設(shè)置c55xx軟件仿真模式，連接好DSP開發(fā)系統(tǒng)，并啟動(dòng)CCS。6.1.2新建工程首先新建工程文件xxx,然后將程序?qū)懭牍こ涛募校⒈４?。CCS工程界面如圖所示：圖6.16.1.3編譯鏈接并裝載程序把文件添加到工程中后，再對(duì)文件進(jìn)行編譯鏈接，生成.out文件，然后裝載輸出文件。6.1.4設(shè)置信號(hào)壓縮觀察窗口在菜單中選擇view-watch window,并在watch1窗口中name欄設(shè)置觀察輸出數(shù)據(jù)，即utemp

20、，并設(shè)置為十六進(jìn)制觀察數(shù)據(jù)。6.1.5設(shè)置斷點(diǎn)在程序有注釋斷點(diǎn)處設(shè)置軟件斷點(diǎn)。6.1.6運(yùn)行并觀察結(jié)果。6.2結(jié)果分析運(yùn)行前：圖6.2運(yùn)行后：圖6.3輸入被壓縮數(shù)據(jù)為32，即0000100000，運(yùn)行后獲得壓縮之后數(shù)據(jù)位0x0010h,經(jīng)驗(yàn)證，數(shù)據(jù)壓縮正確。7 結(jié)論此類壓縮是一種最簡單的線性位壓縮方式，可以將高位的數(shù)據(jù)壓縮成低位的數(shù)據(jù)，它適用于聲音信號(hào)的播放和傳輸系統(tǒng)，但采集和播放音樂信號(hào)時(shí)采用高位的AD和DA可得到較好的音樂效果，但傳輸或保存聲音信號(hào)時(shí)，可壓縮存儲(chǔ)，從而在同樣的存儲(chǔ)空間上存儲(chǔ)較長時(shí)間的語音信號(hào)，現(xiàn)在很多簡單的錄音設(shè)備就采用這種方式，但A率壓縮率不高，而且壓縮的失真是固定的，不

21、能通過算法提高，所以在較為復(fù)雜的語音設(shè)備中應(yīng)用較少。參考文獻(xiàn)1姜陽，周錫青.DSP原理與應(yīng)用實(shí)驗(yàn).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20082TMS320C55X DSP Programmers Guide SPRU376AZ . TexasInstruments,20013TMS320C55XD SPAssembly Language Tools Users Guide SPRU280HZ . Texas Instruments, 2004 4程佩青，數(shù)字信號(hào)處理教程第二版，清華大學(xué)出版社，2001.85李利.DSP原理及應(yīng)用實(shí)用技M.北京：中國水利水電出版社，2004致謝感謝校方給予我這樣一次

22、機(jī)會(huì)，讓我能夠完成一個(gè)課程設(shè)計(jì)，使我在本次課程設(shè)計(jì)中收獲頗豐。這次課程設(shè)計(jì)使我對(duì)以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)有了一個(gè)更好的理解，通過實(shí)踐讓我對(duì)DSP運(yùn)行的CCS5000環(huán)境更加熟悉，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，同時(shí)增強(qiáng)了我的動(dòng)手能力和實(shí)踐操作能力，還培養(yǎng)了我獨(dú)立思考的能力。在這次課程設(shè)計(jì)的過程中，我得到了許多人的幫助。首先我要感謝我的老師在課程設(shè)計(jì)上給予我的指導(dǎo)、提供給我的支持和幫助，這是我能順利完成這次報(bào)告的主要原因，更重要的是老師幫我解決了許多問題，讓我能把設(shè)計(jì)做得更加完善。在此期間，我不僅學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。其次，我要感謝幫助過我的同學(xué)，本次課程設(shè)計(jì)同學(xué)們互相幫助的精神也

23、讓我非常感動(dòng)。在學(xué)習(xí)中,老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識(shí)、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，老師們的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神，將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。在此，謹(jǐn)向指導(dǎo)老師姜陽老師和周錫青老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！最后再一次感謝所有在設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)。附錄（軟件程序）1.信號(hào)壓縮算法-“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);/取絕對(duì)值sign=(nInput >= 0)?0:1;/