一種低速率語音編解碼系統設計

朱敏杰， 王 海， 梁 偉

(紹興文理學院 數理信息學院， 浙江 紹興 312000)

0 引 言

語音傳輸是目前最主要最普遍的通信傳輸服務，考慮到存儲空間、信道帶寬的限制及擴大通信容量的需求，可利用低速率編碼技術對語音信號進行壓縮編碼。此類低速語音編碼技術在軍事和航天領域有廣闊的應用空間[1-2]。目前常用的低速率語音編解碼系統一般以CPU和音頻codec芯片為核心構成，CPU根據語音編解碼算法編程，傳輸語音數據，音頻codec芯片用于實現語音數據采集和回放。這種方案編程復雜、保密性差、成本高，難以擴展，而且編碼速率低于2.4 Kbps的應用方案不多[3]。本文采用低速率語音編解碼專用芯片TR600和STM32微控制器，完成一種低速率語音編解碼系統設計，編碼速率可選擇0.6、0.8、1.2或2.4 Kb/s，經實踐檢驗，系統穩定可靠。

1 系統結構

低速率語音編解碼系統由信道管理器STM32微控制器、語音編解碼專用芯片TR600[4]、音頻codec芯片TLV320AIC10及外圍電路構成，如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

系統管理器選用ARM cortex-M3內核STM32F103芯片，主頻72 MHz，字長32 位，片內存儲器容量大，片上外設豐富，開發工具完備，是8 位及16 位微控制器的理想替代產品[5-6]。在本設計中，主要負責通信信道的管理。TR600采用清華大學微波和數字通信國家重點實驗室研制的SELP (Sine Excitation Linear Prediction )聲碼器算法，在此基礎上，引入了多幀參數聯合矢量量化方法，壓縮幀間冗余，在0.6 Kb/s的極低編碼速率下，重建語音DRT測試評分>89%[7-9]。

麥克風采集的語音信號通過TLV320AIC10進行A/D轉換，由TR600進行量化壓縮后通過RS232接口傳送給STM32，再由STM32傳送到通信網絡。還可將來自通信網絡的壓縮語音數據傳送給TR600解碼，通過TLV320AIC10的D/A轉換實現語音重建。

2 系統硬件設計

系統硬件電路主要由信道接口電路，語音采集、回放電路，電源電路，CPU主控電路組成。其中CPU主控電路主要由JTAG下載、晶振、按鍵及LCD顯示、EEPROM組成，本文不再展開。

2.1 信道接口電路設計

信道接口包括系統管理器、音頻codec芯片及編解碼器的接口電路設計，如圖2所示。TLV320AIC10的M/S引腳置高，M0、M1、FC引腳接地，配置成主模式，FS同步信號由TLV320AIC10產生，脈沖方式，次級通信不選擇[10]。TR600芯片DATAIO_SEL引腳接地，表示使用控制接口對TLV320AIC10執行初始化，即通過SDIN信號對DCSI控制接口寫初始化命令。FS為幀同步信號，接TR600的串行數據輸入輸出同步信號LRCIN和LRCOUT，DIN、DOUT、SCLK為串行通信數據線和時鐘線，用于發送、接收16 bit串行數字音頻數據，與TR600的相應引腳相連。PCMCTRL_CLKSE引腳接地，表示TLV320AIC10、TR600的數據接口和控制接口都使用的SCLK作為時鐘信號。TR600可用RS232串口與系統管理器STM32F103通信，考慮到STM32F103沒有DTR和DSR信號線，選擇其GPIO口PC4、PC5用軟件模擬實現，STM32F103預留USART2接口用于系統與上位機或網絡通信。

2.2 語音采集、回放電路設計

系統語音由TLV320AIC10采集，語音采集電路設計成反向模式。語音回放電路采用低壓音頻放大器LM386，電路設計成200倍增益模式，LM386可采用+5 V供電，典型功耗325 mW，可接8Ω喇叭或電話聽筒。語音采集、回放電路如圖3所示。

圖2 信道接口電路

圖3 語音采集、回放電路

2.3 電源電路設計

系統中需要模擬3.3 V和數字3.3 V兩路電源，語音回放需要5 V電源。系統采用LM2575-5.0[11]開關穩壓器將來自于變壓器端的9 V直流穩壓為5 V，最大1 A直流輸出。5 V電壓可直接供給語音回放電路的功放使用，另經低壓差穩壓器(LDO)LM1117-3.3[12]穩壓為3.3 V，最大800 mA直流輸出。

圖4 電源電路

3.3 V電壓分成模擬電源和數字電源，其中模擬部分給TLV320AIC10和TR600的模擬電路供電，數字部分給包括系統管理器STM32F103在內的數字部分供電。電源電路如圖4所示。其中D1為穩壓二極管，L2和C3構成輸出紋波濾波器，提高輸出直流5 V的電源質量，R2為短路電阻，用于連接數字地和模擬地。計算系統主要芯片功耗，此電源電路可滿足要求。

3 系統軟件設計

系統軟件主要完成系統初始化、系統啟動、運行控制等工作。軟件編譯利用意法半導體(STM)提供的固件庫軟件包，在Keil uVision風格的MDK環境下采用C語言完成開發[13-14]。

3.1 信道時序分析

系統工作時，TLV320AIC10的采樣速率F=FMCLK/256N，其中N由TLV320AIC10的控制寄存器R2的低5 bit決定。TR600已內置對TLV320AIC10的初始化數據，將在TR600啟動后隨即初始化TLV320AIC10，將TLV320AIC10的控制寄存器R2低5 bit修改為“01000”，即N=8，當FMCLK選用外接有源晶振16.384 MHz時，對應的采樣速率為8 kHz。

TR600在四種速率下的數據幀壓縮見下表1所示。以0.6 Kbps編碼速率為例，TLV320AIC10采集的8 kHz、16 bit語音數據傳送給TR600，TR600將每600個采樣點數據經預測分析后量化編碼為45 bit的語音幀，每隔75 ms以9.6 Kb/s的速率向串口發送，TR600發送的語音編碼幀以“0X9C”開頭，后面45 bit語音幀分為6 Byte，最低字節高5 bit有效。TR600由串口接收的待解碼語音幀以“0X80”開頭。TR600與系統管理器之間的串行通信由CTS、RTS、DTR、DSR等信號同步，可保證通信的可靠性。

表1 不同速率數據幀壓縮對比

圖5 系統軟件流程圖

3.2 系統軟件流程

系統軟件流程如圖5所示。系統上電后，STM32F103最小系統自檢，讀取EEPROM系統參數，包括系統模式，自環延時時間等，可由按鍵修改系統參數，并實時存入EEPROM，由按鍵確認系統開始工作。系統工作模式分為自環、發送、接收三種。自環模式即麥克風采集的語音能在設定的延時時間后在喇叭端重建；發送模式能將壓縮語音數據傳送到通信網絡；而接收模式則將來自于通信網絡的壓縮語音數據傳送到喇叭端重建。自環模式下，STM32F103首先對TR600進行復位及軟件啟動，并開啟USART1中斷，TR600正常啟動后，會利用其中固化程序對TLV320AIC10初始化。TLV320AIC10以8 kHz、16 bit對語音信號進行采樣量化，傳送給TR600，TR600通過串口傳送給STM32F103的USART1，USART1接收中斷服務程序將語音數據以照移位寄存方式放入緩沖區中，待自環延時結束后，修改語音幀頭，并發送回TR600，即可聽到延時后的連續語音。發送和接收模式的編程思想與自環模式基本一致，本文不再展開。

4 系統實驗測試

在實驗室對系統進行測試，系統如圖6所示。工作在0.6 Kb/s編碼速率，自環模式下，延時6 s，把成年男性聲音“紹興文理學院”錄制成WAV語音文件，采用praat語音軟件[15]分析語音時域波形圖和窄帶語譜圖，如圖7所示，前6 s語音為測試人聲音，后6 s語音是TR600通過語音壓縮編碼、自環解碼重建的效果。比較發現，在頻譜圖中重建語音與原始語音的頻譜結構差別較小；在時域波形圖中略有區別。主觀聽覺測試表明重建語音具有較高可懂度、清晰度以及一定的自然度。

圖6 系統實物測試圖

圖7 測試語音時域頻域圖

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