基于DSP的多路語音實時采集與壓縮處理系統設計

3　多路語音實時壓縮處理

3．1　壓縮算法
　　
考慮到壓縮率的要求和實時的要求，在本系統中采用13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼算法［GSM］，該算法的特點是在模型編碼算法中較為簡單，語音質量高達到了通信等級，同時具有較高的壓縮率。該算法的編碼算法包括以下幾個主要部分：

3．1．1　預處理部分
　　
去除原始語音信號S0（n）中的直流分量得到S0f（n），再通過一階的FIR濾波器進行高頻預加重，得到信號S（n）。

3．1．2　LPC分析
　　
按每160個樣本點將信號S（n）進行分幀，對每幀數據計算出8個LPC反射系數γ（i），i＝0，1，2，…，7；再轉換成對數面積比參數LAR（i），i＝1，2…7；并對所得的LAR（i）進行量化編碼得到LARC。

3．1．3　短時分析濾波
　　
短時分析濾波是一個8級格型濾波器，通過短時分析濾波，得到線性預測（LP）余量d（n）。

3．1．4　長時預測
　　
利用長時預測綜合對LP短時余量信號d（n）處理以進一步的去除冗余度。長時預測是按子幀進行處理的，每一幀分成4個子幀。
3．1．5　規則脈沖編碼
　　
對經過短時、長時預測后得到的LP余量信號，進行加權濾波、規則脈沖提取和量化編碼。

在本系統的DSP上該算法實時實現性能如下：
·碼流速率13 Kb／s
·編碼運算量　3 MIPS
·解碼運算量　0．7 MIPS
·程序量　2 KWORD　　
·占用數據RAM 1 KWORD

3．2　多路語音實時壓縮處理的軟件實現
　　
由于實時實現13 Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法只占用了DSP的3MIPS的運算量，而解碼運算量為0．7 MIPS故在本系統的具有33 MIPS的運算速度的DSP上，可軟件實時實現多達10通道的13Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法和1通道的解碼算法。同時，還有2MIPS的運算速度用于系統控制與管理。根據本系統的要求，已成功實現了8通道的13Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法和1通道的解碼算法。因此，本系統的DSP在完成要求的多路語音采集與壓縮處理任務的條件下，還有一定的處理能力用于系統其它的擴展處理上。本系統的多路語音實時壓縮處理的系統軟件框圖如圖2所示。

　
由圖2可以看出，軟件設計主要包括4大部分：

·命令解釋與控制模塊
·13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼模塊
·多通道語音編解碼控制模塊　　
·接口功能模塊

3．2．1　命令解釋與控制模塊
　　
命令解釋與控制模塊主要是用于解釋由PC機通過IDMA口發來的各種命令，如發送或接收編解碼數據、設置PC機與DSP的數據傳輸數據量的大小、查詢編解碼狀態以及啟動，停止編解碼操作等。該模塊不直接與PC機打交道，而是通過接口功能模塊，間接實現與主CPU的數據信息交換。

3．2．2　13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼模塊
　　
該模塊是一個單通道13 Kb／sRPE－LTP－LP語音編解碼模塊。它是本系統的語音壓縮處理的核心部分，為使該模塊具有通用性，為該模塊單獨形成一個ADSP－2100系列語言庫，可與任何其它ADSP－2100系列模塊相連。

3．2．3　多通道語音編解碼控制模塊
　　
該模塊基于單通道13 Kb／sRPE－LTP－LP語音編解碼模塊，實現多通道語音編碼和單通道語音解碼。對于多通道語音編碼，一方面，當某通道采集到一幀160點的語音數據時，調用語音編碼模塊對該幀進行編碼，并將編碼后的語音數據按約定的格式存放到各通道的編碼數據緩沖區中；另一方面，由于語音的模型編碼是前后幀相關聯的，所以該模塊還必須將當前通道的當前幀編碼后的必須保存的數據和狀態進行保存，以及在調用語音編碼模塊對當前幀進行編碼前，恢復上一幀編碼后的數據和狀態。對于單通道語音解碼，則只需在接收到由PC機傳送來的壓縮數據后，調用解碼模塊，然后將解碼后的160點語音數據送到D／A的串口1發送緩沖區。

3．2．4　接口功能模塊
　　
該模塊實現DSP與PC機的數據的實際交換工作，同時也實現DSP的數據采集與控制。由于它是軟件設計中唯一與硬件相關的模塊，故該模塊在設計上盡量與其它模塊獨立。這樣，當硬件有所改變時，可不必改變其他模塊。

4　結　論
　　
本系統由于采用了DSP技術，使得多路語音的采集和壓縮處理得以實時實現。同時還使系統具有較高的可編程性能。基于該系統的某語音記錄儀已經通過省、部級的鑒定。本系統的成功設計說明數據采集與處理系統采用基于DSP技術，將大大提高系統的高速數據的實時采集和實時處理的能力。而且，當今的DSP的處理速度和數據管理能力還在迅速地提高，其價格也降到能應用于一般的應用場合。如ADSP－21061，40 MIPS的運算速度，10個DMA控制器，40位浮點運算精度，數據管理能力可達240Mbytes／s，其售價也只有30～40美元。因此，開發和研究基于DSP技術的數據采集與處理系統具有重要的實際意義。