基于DSP的通用語音編譯碼器設計與實現

摘要：實現了一種基于DSP的通用語音編譯碼器實驗平臺。在該平臺上通過軟件重構可以實現常用語音信號的編譯碼。詳細介紹了應用DSP實現通用語音編譯碼中的關鍵技術，包括硬件平臺設計、軟件結構和接口擴展等。由于硬件和軟件采用模塊和結構化設計，通過開放的模塊接口和子程序使得該設計具有擴展和升級容易、學生參與度高等優點。最后通過實際測試驗證了設計的正確性。
關鍵詞：語音信號處理；DSP；編碼器；解碼器；實驗系統

0 引言
語音信號處理在通信系統中占有重要地位，也是通信工程專業的重要課程。由于課程內容比較抽象，如果只是停留在理論教學，會使學生不易理解并且感到枯燥乏味，同時也不容易體現它的實現原理以及在實際通信系統的位置和作用。語音編譯碼器的實現主要有三種方法：專用芯片、基于DSP和混合方法。其中，DSP5000系列以其內含硬件乘法器、硬件加法器和FFT運算器特別適合用于語音信號處理。文獻提出一種基于DSP的多制式語音編解碼器，文獻給出一種可變速率的通用語音編解碼實現技術，但都不適合實驗教學。本文在文獻的基礎上，結合實驗教學特點設計一種語音編譯碼器實驗平臺，其設計思想是采用通用的DSP，CPLD，控制器和PC機將語音信號處理過程在硬件、軟件、接口和PC機管理幾個方面實現模塊化和開放接口設計。通過PC機或控制器，可以設置編碼方式、調用不同的子程序實現不同的編碼算法，同時也設置了計算機數據接口來實現編解碼器的通用性，方便直觀地了解語音信號的處理過程，易于不同層次、不同目的的學生參與，具有方便實現設計性、系統性、綜合性和創新性實驗等優點。該平臺可以實現G．711，G．721，G．729和△M四種符合國際標準的編解碼。為了觀察信號的處理過程，在硬件電路的關鍵點都設置有測試點；其次，在軟件設計上也盡量將程序分解成子程序由主程序調用，如初始化子程序、命令解
析子程序、信號采集與輸出子程序、編譯碼子程序、數據接收與發送子程序等。每個子程序的人口都有相應的函數名、要傳遞的參數和返回的結果，這樣便于學生參與各個算法子程序的設計。文中給出了詳細的硬件電路設計和軟件流程圖，最后對實驗平臺進行了測試，結果正確且工作穩定可靠。

1 系統結構與硬件電路設計
在硬件設計上根據功能分了6個模塊，包括濾波器與放大模塊、A／D與D／A轉換器模塊、DSP處理器模塊、FPGA與數據接口模塊、MCU控制器與PC機接口模塊、鍵盤／顯示器模塊。為了防止干擾和方便學生觀察信號，各模塊之間的控制線通過通用底板相連，而信號通過各個模塊的信號線相連。系統結構如圖1所示。

圖1中，抗混疊濾波器采用二階有源低通濾波器；音頻接口芯片選擇TI公司性價比較高的A／D轉換芯片TLV320AIC23，它可以在8～96 kHz的采樣頻率范圍內提供16 b，20 b，24 b和32 b的采樣數據，其DSP Mode是TI公司特有的與DSP連接模式，使音頻接口設計非常簡單，如對于PCM編碼則根據AIC23的數據手冊只需在其時鐘輸入端MCLK引腳外接一個12．288 MHz的有源晶振，配置AIC23的采樣率控制寄存器的SR3～SR0= 0011，即可得到AIC23的A／D和D／A的采樣率為8 kHz；DSP選擇TI公司的TMS320VC5416，它采用增強的多總線和優化的CPU設計結構，內含三個多通道緩沖串口McBSP和8／16 b的增強型HPI口，不但可以滿足語音編譯碼算法處理的需求，也方便實現主機訪問；SRAM和FLASH分別采用常用的芯片CY7C1041CV33和SST39VF400(兩者存儲空間均為256K×16 b)，外擴存儲器的控制時序通過CPLD(EPM3128ATC100)實現；控制器采用AT89C52，它通過DSP的HPI口與DSP相連，其優點是可以通過DSP內部的雙口RAM訪問DSP內部的各種資源，而不會影響DSP的運行。同時，控制器擴展了鍵盤／顯示和RS 232接口(預留了USB接口)，不但方便用戶使用，也實現了上位機軟件與編譯碼器的通信。
系統工作原理如下：首先來自用戶的語音信號先經過抗混疊濾波器模塊完成信號的濾波和放大，然后送A／D、D／A模塊將模擬語音信號轉換成相應標準速率(如8 kHz)和采樣精度(如16 b)的數字信號，數字化的語音信號通過多通道緩沖串口McBSP0送給DSP信號處理板，信號處理板將語音數據信號送到DSP內部緩沖區，在緩沖區內按用戶選擇的方法調用編碼算法編成特定碼率的碼流，再將得到的標準數字碼流送數據接口模塊輸出；另一方面，來自數據接口的碼流送數據處理模塊，數據處理模塊由其多通道緩沖串口McBSP2接收至DSP的內部接收緩沖區，然后由DSP對其進行解碼處理，解碼后的數字化語音通過多通道緩沖串口McBSP0傳送給D／A轉換器模塊轉換成模擬語音信號后送信號濾波和放大模塊，從而實現語音信號的采集、編碼、發送和接收、解碼等功能。