2023年語音壓縮存儲與回放實驗報告

DSP課程設計

實驗報告

語音壓縮、存儲和回放

院系:電子信息工程學院

小組成員：

通信0607王穎06282023

自動化0601王燕06212023

目錄

一、設計任務書封面1

二、設計內容與規(guī)定3

三、設計算法原理說明4

四、程序設計、調試與結果分析7

CMD程序，C語言程序7

調試過程15

波形與數據顯示16

五、設計（安裝）與調試的體會17

六、參考文獻18

語音的壓縮、存儲與回放

一、設計規(guī)定與目的

(1)使用DSP實現語音壓縮和解壓縮的基本算法，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。

⑷使用指示燈對語音存儲和回放過程進行指示。

發(fā)揮部分：

使用多種算法進行語音的壓縮、存儲和解壓縮，比較它們之間的優(yōu)缺陷。

二、實驗目的

1、通過本實驗掌握5402DSP片上外設多通道緩沖串行口mcbspo

2、學習掌握tic320ad50CODEC編譯碼器的內部結構、工作原理。

3、學習A律語音壓縮以及C語言下的編程方法。

三、實驗原理

1.語音采集與輸出模塊

語音采集與輸出模塊采用的是TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片TLC

320AD50C,內置耳機輸出放大器，支持MIC和UNEIN兩種輸入方式(二選一)，且對輸入

和輸出都具有可編程增益調節(jié)。AD50的模數轉換(ADCs)和數模轉換(DACs)部件高度集成

在芯片內部，采用了先進的Sigma-delta過采樣技術,可以在8K到96K的頻率范圍內提供

16bit、2Obit、24bit和32bit的采樣,ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達成90dB和

lOOdB。與此同時,AD50還具有很低的能耗，回放模式下功率僅為23mW,省電模式下

更是小于15uWe由于具有上述優(yōu)點，使得AD50是一款非常抱負的音頻模擬I/O器件,

可以很好的應用在隨聲聽(如CD,MP3……)、錄音機等數字音頻領域⑵。由TLC320AD5

0C組成的語音輸入與輸出模塊不僅采樣率高最高可達96K,且外圍電路簡樸，性價比高。

2.語音編碼

(1)概念：

語音編碼一般分為兩類：一類是波形編碼，一類是被稱為“聲碼器技術”的編碼。

PCM編碼即脈沖編碼調制。

波形編碼的最簡樸形式就是脈沖編碼調制(PulsecodemoduIation),這種方式

將語音變換成與其幅度成正比的二進制序列，而二進制數值往往采用脈沖表達，并用脈沖對

采樣幅度進行編碼，所以叫做脈沖編碼調制。

脈沖編碼調制沒有考慮語音的性質，所以信號沒有得到壓縮。

(2)量化：

脈沖編碼調制用同等的量化級數進行量化，即采用均勻量化，而均勻量化是基本的量化

方式。但是均勻量化有缺陷，在信號動態(tài)范圍較大而方差較小的時候，其信噪比會下降。

國際上有兩種非均勻量化的方法:A律和u律,u律是最常用的一種。在美國,7位u律是

長途電話質量的標準。而我國采用的是A律壓縮，并且有標準的A律PCM編碼芯片。

⑶DPCM&ADPCM:

減少傳輸比特率的方法之一是減少編碼的信息量，這要消除語音信號中的冗余度。相鄰

的語音樣本之間存在明顯的相關性，因此對相鄰樣本間的差信號進行編碼，便可使信息量得

到壓縮。由于差分信號比原語音信號的動態(tài)范圍和平均能量都小。這種編碼叫Differentia

1PCM,簡稱DPCM,即差分脈沖編碼調制。

ADPCM即自適應差分脈沖編碼調制，是涉及短時預測的編碼系統(tǒng)。CCITT(國際電報

電話征詢委員會)在1984年提出的32kbit/s的編碼器建議就是采用ADPCM作為長途傳輸

中的國際通用語音編碼方案。這種ADPCM編碼方案達成64kbit/sPCM的語音傳輸質

量，并具有很好的抗誤碼性能。

(4)a律壓縮

a律壓縮示意圖

A律壓縮編碼表

A律壓縮編碼表

線性輸入編碼壓縮編碼

0000000wxyza000wxyz

OOOOO0Iwxyza00Iwxyz

000001wxyzab0lOwxyz

000Olwxyzabc01Iwxyz

0001wxyzabed1OOwxyz

001wxyzabede101wxyz

01wxyzabcdef11Owxyz

1wxyzabcdefg111wxyz

采用DSP可以直接對PCM編碼后的語音信號進行口律和A律壓縮。圖1是DSP硬

件實現數據壓縮解壓的簡樸流程，DSP將傳輸來的壓縮后的數據進行解壓成16位或者3

2位，然后對解壓后的數據進行分析、解決，最后將解決后的數據按照規(guī)定壓縮成8位的數

據格式輸出到相應設備，供其他設備讀取。

圖1數據壓縮解壓流程

圖2是DSP將數據解壓的值,DSP將壓縮的8位數據解壓成16位的DSP通用數據格

式，其中高13位為解壓后的數據，低3位補0。這是由于6.711的A律壓縮只能對13

位數據操作。DSP將解壓后的數據放在緩沖串口的發(fā)送寄存器中,只要運營發(fā)送指令，緩沖

串口就會將數據發(fā)送出去。緩沖串口對接受數據的解壓過程和壓縮過程完全相反。圖3是|J

律數據解壓的示意圖。

15320

發(fā)送緩沖器'S—I0_

A律一

圖2A律數據解壓

15210

發(fā)送緩沖器:值I0二

u律

圖3口律數據解壓

DSP內部的緩沖串口（McBSPs）帶有硬件實現的p律/A律壓縮解壓，用戶只需要在相

應寄存器中進行設立就可以了。

在進行A律壓縮時，采樣后的12位數據，默認其最高位為符號位，壓縮時要保持最高位

即符號位不變，原數據的后11位要壓縮成7位。這7位碼由3位段落碼和4位段內碼組

成。具體的壓縮變換后的數據根據后11位數據大小決定.

表2A律數據壓縮表

12位碼（十進制）■階符號位段落碼（二進制）段內碼（二進制）

01111

16-31100010000-1111

32?63200100000?1111

64~127400110000~1111

3?255801000000-1111

256-5111601010000-1111

51270233201100000~1111

1024~20476401110000-1111

除對串行口數據實現壓擴解決外，這套硬件在McBSP不使用時還可以當作一個特殊的

解決單元對內部數據實現壓擴解決，他有兩種實現方法。

法一：當串行口的發(fā)送和接受部分都處在復位狀態(tài)時,DRR1和DXR1內部通過壓擴邏輯

連接在一起,數據從DXR1寫入并根據XCOMPAND解決，然后根據RCOMPAND再解決，在

4個CPU時鐘后從DRR1中讀出數據。該解決比軟件實現快，不利之處在于解決完后沒有同

步信息告知CPU和DMA。

法二:在數據環(huán)回模式下,McBSP也實現了一種內連。數據解決與第一種方法相同，但它

可以提供中斷信號（或同步事件）給CPU（或DMA）。這里數據解決的時間是根據串行口的比

特律擬定的。

此外,在通常情況下McBSP先傳輸信號的高位后傳輸低位，但是在字長為8比特的數據傳

輸時，McBSP提供了比特倒序的功能，即可以先傳輸低位后傳輸高位。

在本實驗中，我們通過軟件編程來完畢線性碼轉換成A律。

語音信號通常是小信號概率大，大信號出現的概率小，為提高小信號時的量化信躁比，

壓縮比特速率，可為非線性量化。語音壓縮是把16位的數據比特轉化為8位數據比特，從

而到達語音壓縮的目的。

在主程序中通過A/D抽樣量化，可以得到16位的線性編碼，再由編碼表通過軟件計算得

到8位A律編碼，其中最高位為符號位，第6位到第4位為段落碼，低4位為段內碼。將8

位的壓縮結果存儲到系統(tǒng)RAM中進行緩存，根據抽樣率、語音存儲時間以及系統(tǒng)RAM的容

量設立語音存儲緩沖區(qū)的大小，待緩沖區(qū)存滿后，將緩沖區(qū)內的數據進行解壓縮，然后輸出

到SPEAKER接口輸出端。

若使用A/D轉換器，必須一方面對A/D轉換器進行初始化設立，即設立A/D轉換器的

工作模式、輸入增益以及抽樣頻率等。

3.程序設計

(1)、程序流程

存儲器的分派(5402.cmd)

MEMORY

PAGE0:VECS:origin=0080h,length=0080h/*Interna1

ProgramRAM*/

PRAM:origin=7600h,1ength=80OOh/*Internal

ProgramRAM*/

PAGE1：SCRATCH：origin=0060h,length=0020h/*ScratchPad

DataRAM*/

DMARAM:origin=OCOOh,length=0300h/*DMA

buffer*/

DATA:origin=1100h,1ength=0080h/*In

ternalDataRAM*/

STACK:origin=118Oh,1ength=0560h/*Stack

MemorySpace*/

INRAM:origin=19OOh,length=0100h/*Internal

DataRAM*/

HPRAM0：origin=1A00h,length=0002h/*HPImem

oryaccessiblebyIiostandDSP*/

HPRAMI:origin=1A02h,1ength=028Oh/*HPI

memoryaccessiblebyHostandDSP*/

HPRAM2:origin=1C82h,length=0280h/*HPImemory

accessib1ebyHostandDSP*/

EXRAM:origin=lFlOh,1ength=9000h/*External

DataRAM*/

)

SECTIONS

.cinit>PRAMPAGE0

.text>PRAMPAGE0

.vectors>VECSPAGE0

initvar>PRAMPAGE0

detect>PRAMPAGE0

vrcprg>PRAMPAGE0

matprg>PRAMPAGE0

,stack>STACKPAGE1

.trap>SCRATCHPAGE1

.cons>EXRAMPAGE1

.data>EXRAMPAGE1

bss>EXRAMPAGE1

,cio>EXRAMPAGE1

,switch>EXRAMPAGE1

tables>EXRAMPAGE1

var>EXRAMPAGE1

svctab>EXRAMPAGE1/*SS_VLSPtable*/

vctab>EXRAMPAGE1/*VLSPtable*/

uvctab>EXRAMPAGE1/*UVLSPtable*/

cuvtab>EXRAMPAGE1/*StochaSticcodebook*/

cdbktab>EXRAMPAGE1/*variouscodebooktabies

*/

logtab>EXRAMPAGE1/*tablefcrlog2*/

powtab>EXRAMPAGE1/*tableforp]ow2*/

hamtab>EXRAMPAGE1/*tableforhamming*/

1gwtab>EXRAMPAGE1/*tableforlagwindow*/

acostab>EXRAMPAGE1/*tab1efora；rccos*/

sqrtab>EXRAMPAGE1/*tableforsquareroot

*/

acbtab>EXRAMPAGE1/*tabieforthresho1dsina

cb*/

pm03tab>EXRAMPAGE1tableforx"(-0.3)

computation*/

costab>EXRAMPAGE1/*tableforcosine*/

V23>INRAMPAGE1

FSK>INRAMPAGE1

hpibuffO>HPRAMOPAGE1

hpibuff1>HPRAMlPAGE1

hpibuff2>HPRAM2PAGE1

dmabuff>DMARAMPAGE1

}

/*主程序設計*/

/*語音采集及回放程序*/

/*用A律進行壓縮及解壓*/

/*采用AD50進行A/D,D/A轉換*/

/火燈循環(huán)閃爍程序開始*/

/*L0：錄音*/

/*L1：放音*/

#include<type.h>/*頭文獻*/

#include<board.h>

#inc1ude<codec.h>

#include<mcbsp54.h>

/*宏定義*/

#defineoSIGN_BIT(0x80)/*SignbitforaA-lawbyte.*/

#defineoQUANT_MASKO(oxf)?>/*Quantizationfieldmask.*/

#defineNSEGS*8)。/*NumberofA-lawsegments.*/

#define<>SEG_SHIFT(4)oo/*Leftshiftforsegmentnumber.

*/

#defineSEG_MASK(Ox70)“*Segmentfieldmask.*/

/*函數聲明

*/

voiddelay(sl6period)；

voidled(sl6ent)；

voidinitcodec(void)；

voidflashenable(void)；

unsignedchardata2a1aw(si6pcm_val)；

intalaw2data(unsignedcharoa_va1);

staticintsearch(intval,short*?^table,intsize);

/*全局變量*/

HANDLEhHandset;

s16data;

sl6datal;

ul6i=0;

ul6temp1;

ul6j=0;

u16k,1=0；

u8temp2;

ul6buffer[20230];

staticshortseg_end[8]={OxlF,0x3F,0x7F,OxFF,0xlFF,0x3FF,0

x7FF,OxFFF);

/*主函數*/

voidmain()

if(brd_init(100))

return；

led(2)；//閃燈兩次

initcodec();//初始化codec

f1ashenable()；〃選擇片外FLASH為片外存儲器

/*

delay(100);

brdledtogg1e(BRD_LEDO)：

for(i=0x9000;i<0xefff;i++)

(

REG_WRITE(i,*(volatileul6*)DRR1_ADDR(HANDSET_C0DEC));

delay(20);

)

brd_ledtoggle(BRDLED1);

delay(200);

for(i=0x9000；i<0xefff;i++)

(

*(volatileu16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)-REG_READ(i);

delay(20)；

}

brd_1ed_toggle(BRD_LED2);

*/

while(1)

(

while(!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC)){};//等待接受h

andset處的采樣

brd1edtoggle(BRD_LEDO);

data=*(volatileul6*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC)；//從hands

et處讀取采樣

templ=data2alaw(data);〃對采樣進行a律

壓縮

/*把低地址數據放在高八位高地址數據放在低八位*/

i=i+1;

oif(i%2==l)

00{

buffer[j]=(templ<<=8);

o/*奇數數據左移8位templ=abcdefghOOOOOOO0

g?>buffer[p1*/

oao)

else

3(

oobuffer[j]=(buffer[j]Itempi);

g/*偶數數據與temp1取或組成新的數據

buffer[j]=ab

cdefghiabcdefghi*/

gj++;〃j加1

0)

if(i>=40000)

8(

g}

oif(j>=20230)

6(

。j=0;

。wbrd_led_disab1e(BRD_LEDO)；

。?>brd1ed_toggle(BRDLED1);

//點亮二極管1表達放

音開始

/*放音部分

*/

for(k=0;k<40000;k++)

06(

。08if(k%2==0)

0b0(

。。temp2=(buffer[1]>>8)&OxOff;

08d}

。qelse

000{

。^temp2=buffer[l]&OxOff；

。。1++；

oo}

ooif(l>=20230)

。。1=0；

00data1=a1aw2data(temp2)；//a律解壓

while(!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)){};

3"(volatileu16*)DXRIADDR(HANDSETCODEC)=datai；〃將

數據寫入D/A轉換器

?)

/*放音結束

o。brdled_toggle(BRDLEDO)；

brd_led_toggle(BRD_LED1);

00

000

)

)

)〃主程序結束

/*子函數*/

/*******延時******/

voiddelay(s16period)

inti,j;

for(i=0;i<period；i++)

for(j=0;j<period>>l;j++);

)

)

/*****大*閃燈****火*/

voidled(si6ent)

(

while(cnt—)

brd_led_toggle(BRD_LED0)；//切換LED指示燈0的顯示狀

態(tài)

odelay(1000);

brd_1ed_toggle(BRD_LED1);

火lelay(1000)；

obrd_led_toggle(BRD_LED2)；

delay(1000);

)

)

/*****初始化codec**/

voidinitcodec(void)

/*OpenHandsetCodec獲取設立codec的句柄*/

hHandsetcodec_open(HANDSET_CODEC);/Acquirehandiet

ocodec

/*Setcodecparameters*/

codecdac_mode(hHandset,CODEC_DAC_15BIT);//DACin15-bi

tmode

codec_adc_mode(hHandset,C0DEC_ADC_15BIT);//ADCin15—

bitmode

codec_ain_gain(hHandset,CODEC_AIN6dB);//6dBgainona

na1oginputtoADC

codec_aout_gain(hHandset,C0DEC_A0UT_MINUS_6dB);

//-6dBgainonan

alogoutputfromDAC

codec_sample_rate(hllandset,SR_8000)；//8KHzsa

mp1ingrate

)

/*****設立flash****/

voidflashenab1e(void)

I

CPLD_CTRL2_REGI=0x0010;

CPLD_DMCTRL_REG|=Ox0040;

}

/*****a律壓縮******/

unsignedchardata2alaw(s16pcmva1)。

tomask;

int。seg;

unsignedchareava1;

oif(pcm_va1>=0)

°(

。mask=0xD5;。//標記(7th)bit=1

。｝

oelse

°(

emask=0x55;抽//標記bit=0

pcm_va1=-pcm_va1;

d

。//Convertthesealedmagnitudetosegmentnumber.

oseg=search(pcm_va1,seg_end,8)；

//Combinethesign,segment,andquantizationbits.

if(seg>=8)o//outofran

ge,返回最大數.

?>return(0x7F八mask);

?>else

aval=seg<<SEG_SHIFT；

if(seg<2)

oooavalI=(pcm_val?1)&QUANT_MASK;

oeIse

<?ava1(pcm_val>>seg)&QUANT_MASK;

oreturn(ava1mask);

。｝

)

/****alaw的子程序**/

staticintsearch(intval,short沐tabie,intsize)

I

int;

ofor(i=0;i<size;i++)

°(

?if(va1<=*table++)

oreturn(i);

d

。return(size);

)

/*****a律解壓******/

intalaw2data(unsignedchar陽_va1)

I

intt;

ointoseg；

a_val=0x55;

t=(a_val&QUANTJIASK)<<4;

?seg=((unsigned)a_val&SEG_MASK)>>SEG_SHIFT;

oif(seg==0)

。?t+=8；

?>t=(t>>3);

}

。if((seg<4)&&(seg>0))

°{

t+=0x108;

t=(t?(4-seg));

)

if(seg>3)

t+=0x108;

ot=(t<<=(seg-4))；

return((a_val&SIGN_BIT)?t：—t);

)

/*結束*/

四.操作過程

1.將工程文獻夾放入C盤規(guī)定目錄下。

2.打開CCS,Project-open,打開工程文獻。

3.進行編譯，連接。

4.根據錯誤提醒，對buildoption進行對的的設立，修改頭文獻途徑。

5.再編譯，連接，顯示沒有錯誤。

6.loadprogram—run,此時三盞燈循環(huán)亮，之后程序開始，第一盞燈亮

開始錄音，一段時間后第二盞燈亮開始放音，然后又開始錄音。依次循環(huán).

五.調試過程與運營結果

1.觀測數據結果

Viewwatchwindow

我們輸入buffer,顯示此數組的值，如圖D所示。

2.觀測數據圖形

ViewGraphTimeFrequency

可以加入斷點，然后按Animate動態(tài)顯示。

分別觀測語音輸入(存放在變量data中)波形，壓縮后波形(tempi),解壓后輸出波形(da

ta1)，圖形分別為A,B,Co

3.觀測存儲器中數據

ViewMemory

通過多次調試，使錄音時間在保持音質的前提下達成5-6秒。

A.輸入波形(data)

用w□E3asE]E30?±

方

西

口

蚓

CJ

-stockoptiont。changethedefoultsize.-I

dComplete.

Errors,1Warnings,0Ramarks.

?.大回營H

?/C54G2DSKZCFV.lDnct-Ntorosoft

B.壓縮后波形(temp1)

Z/C5402DSK/CPU_1-C54X-CodeCoaposexStudio-[GraphicalDisplay!RTj西岡

區(qū)E>1?NditYi?Eroj.ctp.bucFcefil.r<；ELOptionToolsDSF/BIOSNind。*K.lp

圖。7|>“-31。I??AW.,1iZIZI?(?-?=%.?-

inu.i>jtKiD.bo<3，掰蛆/"-*'?

用w|30醺回日回心

-stockoptiontochangethedefaultsize.

dComplete.

Errors,1Warnings,0Remarks.

］，「「|\BMd廠1臼

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C.解壓縮后輸出波形(datal)

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