基于DSP的語音處理的硬件設計與軟件實現*

周 發 尉 宇

(武漢科技大學信息科學與工程學院 武漢 430081)

1 引言

語音處理是信息高速公路、多媒體技術、辦公自動化、現代通信及職能系統等新興領域應用的核心技術之一。用數字化的方法進行語音的傳送、存儲、分析、識別、合成、增強等是整個數字化通信網中的最重要、最基本的組成部分之一[1]。一個完備的語音信號處理系統不但要具有語音信號的采集和回放功能,還要能夠進行復雜的語音信號分析和處理。通常這些信號處理算法的運算量很大,而且又要滿足實時的快速高效處理要求,隨著DSP技術的發展,以DSP為內核的設備越來越多。本文采用定點DSP芯TMS320C5402作為CPU,完成對語音信號的采集和濾波處理[2]。

2 語音采集系統的設計

1)系統總體設計

語音采集與處理系統主要包括三個部分:TMS320C5402 、T LC320AD50 、存儲器模塊 。系統硬件結構如圖1所示。本文設計選用TLC320AD50完成語音處理的A/D轉換和D/A轉換。AD50是 TI公司生產的一款集成有A/D和D/A的芯片,DSP與AD50連接后,可以只使用一個緩沖串口來同時現實數據的采集和輸出,從而節省了DSP的硬件開銷。因此,DSP與音頻AD50的連接使用在音頻信號處理中得到了廣泛的應用[3]。

2)接口電路

圖1 系統總體框圖

DSP設備與AD50設備的連接方法如圖2所示。

圖2 系統的接口連接

C5402有 2個 McBSP多通道緩沖串口。McBSP提供了全雙工的通信機制,以及雙緩存的發送寄存器和三緩存的接受寄存器,允許連續的數據流傳輸,數據長度可以為 8、12、16、20、24、32,同時還提供了A律和μ律的壓縮擴展。數據信號經DR和DX引腳與外設通信,控制信號 由 CLX、CLKR、FSX、FSR四個引腳來實現。CPU和DMA控制器可以讀取DRR[1,2]的數據實現接收,可以對DXR[1,2]寫入數據實現發送。此時可以通過串口控制寄存器SPCR[1,2]和引腳控制寄存器PCR用來配置串口,用RCR[1,2]和XCR[1,2]用來設置接收通道和發送通道的參數,用SRGR[1,2]來設置采樣率。這些都可以通過軟件編程來實現[4]。

AD50控制寄存器的設置必須在二次通信中完成。AD50有硬件和軟件兩種方式啟動二次通信。本文采用軟件觸發的方式,因此FC必須接地。即數據格式為15+1時,最低位 LSB被確認為高電平。最后一位標記下一個數據是否為二次通信數據,1表示是,0表示否。通過兩次通信可以對AD50的四個控制寄存器的讀寫。在二次通信中,D0～D7為寫入控制寄存器的數據或者從控制寄存器讀出的數據,D8～D12的內容決定選擇哪個控制寄存器,D13位決定是讀操作還是寫操作[5]。

3)語音采集

語音信號的采集是通過話筒經模擬放大輸入到AD50,AD50作相應的低頻濾波并進行A/D轉化,再通過McBSP通道輸入DSP芯片。語音信號采集程序包括以下幾個部分[5]:

(1)DSP的初始化。對DSP的寄存器以及緩沖串口進行初始化。

(2)AD50的初始化。通過DSP的緩沖串口和二次通信對AD50的四個控制寄存器設置,確定AD50的四個控制寄存器設置正確后,AD50才能開始采集數據。

(3)設置DSP的中斷,從緩沖串口讀取數據。如果此時在緩沖串口連續讀取數據,就可以在仿真軟件CCS中查看讀取的數據是否正確。

(4)DSP存放數據。可以將緩沖串口讀取的數據存放到DSP的RAM 單元,連續存放。

3 系統的軟件實現

1)FIR濾波器的設計

在頻率方面,人的聲音是在800Hz～1100Hz。本文采用FIR設計一個低通濾波器,將1200Hz的高頻噪聲濾波[6]。

3.1 FIR濾波的原理

FIR濾波器的系統函數為:

假設FIR濾波器的系數為h(0),h(1),…,h(N-1),x(n)表示濾波器在n時刻的輸入,則n時刻的輸出為:

FIR濾波器的設計可以用MAT LAB窗函數法進行,例如選擇Hamming窗,其程序為:b=f ir1(16,1200/8000*2),這里采用8000Hz的采樣率,階數為17,從而得到數字濾波器的系數,由于在DSP匯編語言中,不能直接輸入十進制的小數,可以在MAT LAB中進行如下轉換:b=round(b*2∧15),這樣就將系數轉換為 Q15的定點小數形式[7]。

可以用DSP的乘加指令完成,采用循環緩沖區法完成程序。部分濾波程序如下:

軟件流程圖如圖3所示。

2)仿真結果

比較圖4和圖5,可以看到1200Hz以上的頻譜明顯得到了抑制。

4 結語

文中介紹了DSP芯片和AD50芯片的數據采集處理系統的設計和實現,實踐證明,可以較好地實現語音濾波。滿足了語音處理的要求,與DSP接口簡單,高性能,低功耗,廣泛應用在音頻處理,語音增強,語音安全,回聲抵消等電話或語音應用領域[9]。

[1]李利.DSP原理及應用[M].北京:中國水利水電出版社,2004

[2]王安民,陳明欣,朱明.TMS320C54xx DSP實用技術[M].北京:清華大學出版社,2007

[3]彭啟琮,李玉柏.DSP技術[M].成都:電子科技大學出版社,1997

[4]李宏偉,等.基于幀間重疊譜減法的語音增強方法[J].解放軍理工大學學報,2001(1):41～44

[5]Texas Instruments Incorporated.TMS320C54x系列DSP的CPU與外設[M].梁曉雯,裴小平,李玉虎,譯.北京:清華大學出版社,2006

[6]趙力.語音信號處理[M].北京:機械工業出版社,2003

[7]江濤,朱光喜.基于 TMS320VC5402的音頻信號采集與系統處理[J].電子技術應用,2002,28(7):70～72

[8] TexasInstruments Incorporated:TMS320VC5402 Datasheet,2001

[9]戴明幀,周建江.TMS320C54xDSP結構、原理及應用[M].北京:北航出版社,2002