語音壓縮、存儲和回放

1、DSP技術(shù)課程設(shè)計語音壓縮、存儲和回放實驗報告班 級：自動化0703組 員：熊浩瀾 07212080 朱 冰 07212089指導(dǎo)老師：高海林目錄一、實驗背景3二、實驗?zāi)康?三、實驗設(shè)計要求及目標3四、實驗原理3五、實驗設(shè)計5六、實驗程序8七、實驗步驟 22八、實驗現(xiàn)象及仿真 22九、實驗心得 27十、參考文獻 28語音壓縮、存儲和回放一、 實驗背景語音信號是信息的重要形式, 語音信號處理有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。語音編碼是數(shù)字化語音傳輸和存儲的基礎(chǔ)技術(shù)。與模擬語音相比，使用語音編碼技術(shù)的數(shù)字語音傳輸和存儲系統(tǒng)，具有可靠性高、抗干擾能力強、便于快速交換、易于實現(xiàn)保密和價格低廉等優(yōu)勢。但是 

2、數(shù)字信號也有自身相應(yīng)的缺點，即存儲容量需求的增加及傳輸時信道容量要求的增加。如何在現(xiàn)有的信道資源條件下，壓縮信源以提高傳輸效率，從而解決日益增加的客戶需求量與現(xiàn)有通信信道容量之間的矛盾已成為當前急待解決的問題之一。因此為了減少語音信號所占用的帶寬或存儲空間，就必須對數(shù)字語音信號進行壓縮編碼。本次實驗采用DSP C5402實驗板實現(xiàn)語音信號的壓縮存儲與解壓的。SEED-VC5402 DSK實驗板上集成了SRAM,FLASH,音頻輸入輸出接口等部件。這些外設(shè)為我們提供了極大的方便。DSP芯片是一種特別適合于進行實時數(shù)字信號處理的微處理器。它具有哈佛結(jié)構(gòu)、多總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、多處理單元、特殊的D

3、SP指令、指令周期短、運算精度高、硬件配置強等特點，以其獨特的結(jié)構(gòu)和快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法的突出優(yōu)點，發(fā)展十分迅速，并在通信、雷達、聲納、語音合成和識別等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。二、 實驗?zāi)康?、熟悉TMS320C5402的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理。2、了解并運用語音壓縮算法A-Law和u-Law的語音編解碼和解碼。3、掌握用C語言對MSBSP和CODEC的編程方法。4、熟悉C語言對外設(shè)（DSK板或信號源）的訪問（軟件編程、硬件連接）。5、熟練使用軟件CCS5000對程序的完整調(diào)試過程。6、通過對比學習，了解不同的編碼方式的優(yōu)缺點。三、 實驗設(shè)計要求及目標1、使用DSP實現(xiàn)語音壓縮和解壓縮的基本算

4、法，算法類型自定，例如可以采用G.711、G.729等語音壓縮算法。2、采用A/D轉(zhuǎn)換器從MIC輸入口實時采集語音信號，進行壓縮后存儲到DSP的片內(nèi)和片外RAM存儲器中，存儲時間不小于10秒。3、存儲器存滿之后，使用DSP進行實時解壓縮，并從SPEAKER輸出口進行回放輸出。4、使用指示燈對語音存儲和回放過程進行指示。四、 實驗原理 實驗包括對語音信號的接收、采樣、存儲、壓縮、解壓和輸出幾個環(huán)節(jié)。 首先將輸入的語音數(shù)據(jù)首先進行抗混疊濾波，其中抗混疊濾波濾除高于1/2采樣頻率的信號成分,使信號帶寬限定在某個范圍內(nèi)；否則,會產(chǎn)生頻譜混疊,此時信號中的高頻成分將產(chǎn)生失真。然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，即把時間和

5、幅度都連續(xù)變化的一維模擬信號,變成時間和幅度都離散的數(shù)字信號, 根據(jù)采樣定理，當采樣頻率大于信號最大頻率的兩倍時，在采樣過程中就不會丟失信息，并且可以用采樣后的信號重構(gòu)原始信號。由于人能夠辨別的語音信號約在20-200Khz，實際的信號常有一些低能量的頻譜分量超過采樣頻率的一半，如濁音的頻譜超過4kHz的分量要比峰值低40dB以上；而對于清音，即使超過8kHz，頻率分量也沒有明顯下降，因此語音信號達到的頻率范圍要達到10kHz以上。雖然這樣，對語音清晰度有明顯影響的部分的最高頻率為5.7kHz左右。CCITT提出的G.711標準建議采樣率為8kHz，但這只適合電話語音的情況。在實際的語音信號處

6、理中，采樣頻率一般為8k到10kHz。經(jīng)DSP采集并存入RAM存儲器中，即是語音存儲過程。通過定義適當大的緩沖區(qū)，將壓縮后的8位數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的整合，存儲到16位的RAM中，這種操作目的主要是充分利用存儲器中的資源，以保證能夠錄入足夠多的語音數(shù)據(jù)。利用緩沖區(qū)的目的是進行音效實時處理系統(tǒng)中各模塊是同時進行處理的，一部分信號正在ADC中進行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號則在DSP處理器中同時進行算法處理，即整個系統(tǒng)是以流水線的方式進行工作的。語音信號的幅度（發(fā)音強度）并非均勻分布，由于小信號占的比例比大信號大很多，因此可以進行非均勻量化。達到這一目標的基本做法是，對大信號使用大的量化間隔，而小信號則使用小的臺

7、階。這是我們使用ITU-T G.711的PCM A律和µ律語音壓縮標準可以分別將13比特和14比特壓縮為8比特，達到語音壓縮的目的。u/A 律壓縮解壓編碼是國際電報電話協(xié)會(CCIT)最早推出的G711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，美國和日本采用u律壓縮解壓編碼。兩個算法使用了非線性，把量化間隔變換成人耳能檢測的線性空間。本實驗中分別采用A律和律語音壓縮算法來實現(xiàn)。A- Law編碼解碼方式：A律限制采樣值為12+1比特，將壓縮后的格式碼定義為PSSSQQQQ ,相當于將正負值輸入分成8 個區(qū)段(07) 。其中P為符號位,0代表正，1代

8、表負；SSS 表示3位高位的區(qū)段碼；QQQQ表示區(qū)段內(nèi)小格碼，區(qū)分不同輸入的范圍值。這種編碼方式使壓縮、解壓縮變得簡潔而有效率。A律壓縮編碼表線性輸入編碼壓縮編碼0000000wxyza000wxyz0000001wxyza001wxyz000001wxyzab010wxyz00001wxyzabc011wxyz0001wxyzabcd100wxyz001wxyzabcde101wxyz01wxyzabcdef110wxyz1wxyzabcdefg111wxyz數(shù)據(jù)解壓時DSP將壓縮的8位數(shù)據(jù)解壓成16位的DSP通用數(shù)據(jù)格式。其中低13位為解壓后的數(shù)據(jù)，高3位為0。DSP將解壓后的數(shù)據(jù)放在緩沖

9、串口的發(fā)送寄存器中。只要運行發(fā)送指令緩沖串口就會將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。-Law編碼解碼方式律壓縮與A律壓縮的主要區(qū)別在與u律壓縮是將十六位的數(shù)據(jù)近似為14位數(shù)據(jù)，精度上有一定的提高。基本上的壓縮方式和A律相同。律壓縮編碼表線性輸入編碼壓縮編碼 00000001abcd1000abcd 0000001abcd10001abcd 000001abcd100010abcd 00001abcd1000011abcd 0001abcd10000100abcd 001abcd100000101abcd 01abcd1000000110abcd 1abcd10000000111abcd通過解壓縮，將8位還原成相應(yīng)

10、的語音數(shù)據(jù)，在經(jīng)過AD50C將數(shù)字信號還原成語音信號（即模擬信號）通過多通道緩沖串口輸出，達到放音的目的。五、 實驗設(shè)計硬件部分：DSK包括： 主芯片1枚：100 MHz TMS320VC5402 DSPRAM 1枚：1個軟件等待的64K×16bit的SRAM(CY7C1021V33)FLASH 1枚：256K×16bit 的 FLASH存儲器(AM39VF400A)接口2個：一個連接到PC機并口的主機端接口HPI和用于仿真的JTAG測試總線控制器信號采集和輸出端口：麥克風/耳機音頻接口擴展板接口：用于擴展外部設(shè)備，例如lcd液晶顯示器等TI 公司的TMS320C5402（

11、以下簡稱C5402）芯片內(nèi)部多總線結(jié)構(gòu)保證在一個機器周期內(nèi)可以多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間；指令執(zhí)行時的多重流水線結(jié)構(gòu)將指令周期降低到了最小值；多處理單元可以在一個指令周期內(nèi)同時進行運算，而這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運算；7種有效靈活的尋址方式，僅為10ns的指令執(zhí)行周期。所以我們選用其作為我們實驗應(yīng)用芯片。定點DSP芯片C5402用來實現(xiàn)對實時性要求較高的各種語音處理算法。A/D、D/A 功能由一片音頻模擬接口芯片AD50C 完成。其內(nèi)部集成了16 位A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器；采樣頻率為222.05kHz，可通過外部編程來設(shè)置。通過I/O口實現(xiàn)數(shù)據(jù)

12、的傳輸。將語音采集數(shù)據(jù)存放在片上RAM中。語音通過麥克與dsk板連接輸入，通過耳機與dsk板連接輸出。AD50是單片音頻接口芯片（AIC）。它內(nèi)部集成了16位的D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達22.05kb/s，其采樣速率可通過DSP編程來設(shè)置。在DAC之前有一個插值濾波器以保證輸出信號平滑和ADC之后有一個抽取濾波器以提高輸入信號的信噪比。AD50內(nèi)部有7個數(shù)據(jù)和控制寄存器，用于編程控制它們的工作狀態(tài)。它的數(shù)據(jù)傳輸模式和采樣速率都可以通過DSP對其控制寄存器的編程來實現(xiàn)，因此，在許多場合下，AD50都作為DSP的AIC來實現(xiàn)音頻處理。 C5402 與AD50C 的接口設(shè)計如圖所示：AD

13、50C 工作在主機模式（M/S=1），提供SCLK（數(shù)據(jù)移位時鐘）和FS（幀同步脈沖）。C5402 工作于從機模式，其引腳BCLKX1、BCLKR1、BFSX1 和BFSR1 都設(shè)置為輸入，接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)時均采用外部時鐘和移位脈沖。C5402 的McBSP 與外設(shè)AD50C 的通信數(shù)據(jù)經(jīng)過DR1 和DX1 引腳傳輸，控制信號由BCLKX1、BCLKR1、BFSX1 和BFSR1 4 個引腳實現(xiàn)。AD50C 對輸入的語音信號進行采集、A/D 轉(zhuǎn)換之后通過中斷方式傳送給DSP，每一次中斷直接讀取A/DC 的輸出值，對其做需要的處理。 C5402 與AD50C 的連接軟件部分：1、TMS320V

14、C5402 mcbsp的串口的初始化首先將DSP的串口1復(fù)位，再對串口1的16個寄存器進行編程，使串口1工作在以下狀態(tài)：禁止SPI模式，但數(shù)據(jù)相，每幀一字，每字16位，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘柡鸵莆恍盘栍型獠繒r鐘產(chǎn)生。 hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); 此語句調(diào)用了函數(shù)codec_open()對串口1進行了初步設(shè)置，設(shè)置成功返回codec的句柄放在變量 hHandset中，作為調(diào)用其他函數(shù)的實參。2、AD50的初始化：該初始化過程調(diào)用了5個函數(shù)對AD50的5項參數(shù)進行了設(shè)置，包括adc和dac的工作模式，模擬輸入和輸出的增益；以及AD,DA

15、的轉(zhuǎn)換速率。codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); /* DAC in 15-bit mode */codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); /* ADC in 15-bit mode */codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); /* 6dB gain on analog input to ADC */codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB); /* -6dB gain on analog output fro

16、m DAC */codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); /* 8KHz sampling rate */3、從McBSP的接收通道讀取A/D轉(zhuǎn)換的值，然后經(jīng)過壓縮解壓后將其發(fā)送到McBSP的發(fā)送通道，講解壓后的數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)寫入D/A轉(zhuǎn)換器。程序如下：while (1) /* Wait for sample from handset */ while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ;/* Read sample from and write back to handset codec */ data=*(volatile int*)DRR

17、1_ADDR(HANDSET_CODEC); pre=int2alaw(data); /*or pre=int2ulaw(data);*/ data=alaw2int(pre); /*or data=ulaw2int(pre);*/ *(volatile int*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=data;流程圖：開始初始化Board板成功？調(diào)用_led_display(2)使燈都閃兩次初始化Codec片選FLASH為外部存儲器等待接受Instance處的采樣LED燈0亮開始錄音采樣送voice_sample壓縮存儲voice_sampleLED燈1熄滅放音結(jié)束讀取，解壓縮并

18、送voice_sample1LED燈1亮開始放音LED燈0熄滅錄音結(jié)束是否六、 實驗程序1、A律壓縮源代碼/*/* 頭文件 */*/#include <type.h>#include <board.h>#include <codec.h>#include <mcbsp54.h>/*/* 變量宏定義 */*/#define SIGN_BIT (0x80) /* Sign bit for a A-law byte. */#define QUANT_MASK (0xf) /* Quantization field mask. */#define NSE

19、GS (8) /* Number of A-law segments. */#define SEG_SHIFT (4) /* Left shift for segment number. */#define SEG_MASK (0x70) /* Segment field mask. */*/* 函數(shù)聲明 */*/void delay(s16 period);void led(s16 cnt);void initcodec(void);void flashenable(void);unsigned char data2alaw(s16 pcm_val);int alaw2data(unsign

20、ed char a_val);static int search(int val,short *table,int size);/*/* 全局變量 */*/HANDLE hHandset;s16 data;s16 data1;u16 i=0;u16 temp1;u16 j=0;u16 k,l=0;u8 temp2;u16 buffer22000;static short seg_end8=0x1F,0x3F,0x7F,0xFF,0x1FF,0x3FF,0x7FF,0xFFF;/*/* 主函數(shù) */*/void main() if (brd_init(100) return; led(2); /

21、閃燈兩次 initcodec(); /初始化codec flashenable(); /選擇片外FLASH為片外存儲器 while (1) while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ; /等待接收handset處的采樣 if (i=0) brd_led_toggle(BRD_LED0); /點亮二極管0，表示錄音開始 data = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC); /從handset處讀取采樣 temp1=data2alaw(data); /對采樣進行a律壓縮 /*/* 把低地址數(shù)據(jù)放在高八位高地址數(shù)據(jù)放在低八位 */

22、 /*/ i=i+1; if(i%2=1) bufferj=(temp1<<=8); /*奇數(shù)數(shù)據(jù)左移8位 temp1=abcdefgh00000000bufferj=temp1*/ else bufferj=(bufferj|temp1); /*偶數(shù)數(shù)據(jù)與temp1取或 組成新的數(shù)據(jù)bufferj=abcdefghiabcdefghi*/ j+; /j加1 if(i>=44000) i=0;if(j>=22000)j=0;brd_led_toggle(BRD_LED0); /熄滅數(shù)碼管0 表示錄音結(jié)束brd_led_toggle(BRD_LED1); /點亮二極管1

23、表示放音開始 /*/* 放音部分 */*/ for(k=0;k<44000;k+)if(k%2=0) temp2=(bufferl>>8)&0x0ff;elsetemp2=bufferl&0x0ff;l+;if(l>=22000)l=0;data1=alaw2data(temp2); while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC) = data1; /*/* 放音結(jié)束 */*/if(k=44000) brd_led_toggle(BRD_LED1);

24、 /熄滅二極管1 表示放音結(jié)束 /主程序結(jié)束/*/ /* 子函數(shù) */ /*/*延時*/void delay(s16 period) int i, j; for(i=0; i<period; i+) for(j=0; j<period>>1; j+); /*閃燈*/void led(s16 cnt)while ( cnt- )brd_led_toggle(BRD_LED0);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED1);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);delay(1000);/*初始化codec*/v

25、oid initcodec(void) /* Open Handset Codec */ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); / Acquire handle to codec /* Set codec parameters */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); / DAC in 15-bit mode codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); / ADC in 15-bit mode codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6

26、dB); / 6dB gain on analog input to ADC codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB); / -6dB gain on analog output from DAC codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); / 8KHz sampling rate /*設(shè)置flash*/void flashenable(void)CPLD_CTRL2_REG|=0x0010;CPLD_DMCTRL_REG|=0x0040;/*a律壓縮*/unsigned char data2alaw(s16

27、pcm_val) Int mask;Int seg;unsigned char aval;if (pcm_val >= 0) mask = 0xD5; / 標記 (7th) bit = 1 else mask = 0x55; / 標記 bit = 0 pcm_val = -pcm_val;/ Convert the scaled magnitude to segment number. seg = search(pcm_val, seg_end, 8); / Combine the sign, segment, and quantization bits. if (seg >= 8

28、) / out of range, 返回最大數(shù). return (0x7F mask);else aval = seg << SEG_SHIFT;if (seg < 2)aval |= (pcm_val >> 1) & QUANT_MASK;elseaval |= (pcm_val >>seg) & QUANT_MASK;return (aval mask);/*alaw的子程序*/static int search(int val,short *table,int size)Int i;for (i = 0; i < size;

29、 i+) if (val <= *table+)return (i);return (size);/*a律解壓*/int alaw2data(unsigned char a_val)Int t;Int seg;a_val = 0x55; t = (a_val & QUANT_MASK) << 4;seg = (unsigned)a_val & SEG_MASK) >> SEG_SHIFT;if(seg=0) t += 8;t=(t>>3);if(seg<4)&&(seg>0) t +=0x108;t=(t&g

30、t;>(4-seg);if(seg>3)t+=0x108;t=(t<<=(seg-4);return (a_val & SIGN_BIT) ? t : -t);/*/* 結(jié)束 */*/2、律壓縮源代碼/*/* 頭文件 */*/ #include <type.h> #include <board.h>#include <codec.h>#include <mcbsp54.h>/* 宏定義 */#defineSIGN_BIT(0x80)/* Sign bit for a A-law byte. */#defineQUA

31、NT_MASK(0xf)/* Quantization field mask. */#defineNSEGS(8) /* Number of A-law segments. */#defineSEG_SHIFT(4) /* Left shift for segment number. */#defineSEG_MASK(0x70)/* Segment field mask. */*/* 函數(shù)聲明 */*/void delay(s16 period);void led(s16 cnt);void initcodec(void);/void flashenable(void);unsigned c

32、har ulawcom(s16 pcm_val);int ulawexp(unsigned char a_val);/*/* 全局變量 */*/HANDLE hHandset;s16 data;s16 data1;u16 i=0;u16 temp1;u16 j=0;u16 k,l=0;u8 temp2;u16 buffer22000;/*/* 主函數(shù) */*/void main() if (brd_init(100) return; led(2); /閃燈兩次 initcodec(); /初始化codec /flashenable(); /選擇片外FLASH為片外存儲器 while (1) w

33、hile (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ; /等待接收handset處的采樣 brd_led_toggle(BRD_LED0); data = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC); /從handset處讀取采樣 temp1=ulawcom(data); /對采樣進行u律壓縮 /*/ /* 把低地址數(shù)據(jù)放在高八位 高地址數(shù)據(jù)放在低八位 */ /*/ i=i+1; if(i%2=1) bufferj=(temp1<<=8); /*奇數(shù)數(shù)據(jù)左移8位 temp1=abcdefgh00000000bufferj=temp

34、1*/ else bufferj=(bufferj|temp1); /*偶數(shù)數(shù)據(jù)與temp1取或 組成新的數(shù)據(jù) bufferj=abcdefghabcdefgh*/ j+; /j加1 if(i>=44000) i=0; if(j>=22000) j=0; brd_led_disable(BRD_LED0); brd_led_toggle(BRD_LED1); /點亮二極管1 表示放音開始 /*/ /* 放音部分 */ /*/ for(k=0;k<44000;k+) if(k%2=0) temp2=(bufferl>>8)&0x0ff; else temp2

35、=bufferl&0x0ff; l+; if(l>=22000) l=0; data1=ulawexp(temp2); while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC) = data1; /*/ /* 放音結(jié)束 */ /*/ brd_led_toggle(BRD_LED0); brd_led_toggle(BRD_LED1); /主程序結(jié)束/*/ /* 子函數(shù) */ /*/*延時*/void delay(s16 period) int i, j; for(i=0; i<p

36、eriod; i+) for(j=0; j<period>>1; j+); /*閃燈*/void led(s16 cnt)while ( cnt- )brd_led_toggle(BRD_LED0);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED1);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);delay(1000);/*初始化codec*/void initcodec(void) /* Open Handset Codec */ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); / Acquire

37、 handle to codec /* Set codec parameters */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); / DAC in 15-bit mode codec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); / ADC in 15-bit mode codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); / 6dB gain on analog input to ADC codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB); / -6dB gain on analog output from DAC codec_sam