基于DSP的語音處理教學實驗平臺設計

于永江，王 菲

（吉林大學電子科學與工程學院電工電子實驗教學中心，吉林長春，130012）

基于DSP的語音處理教學實驗平臺設計

于永江，王 菲

（吉林大學電子科學與工程學院電工電子實驗教學中心，吉林長春，130012）

為了幫助學生深入學習DSP實驗教學中語音處理這一教學難點，文中介紹了一種基TMS320C5402的通用語音處理教學實驗平臺，以配合理論和實驗教學。該系統采用TI的TMS320C5402作為處理器，選用TLC320AD50 作為語音模塊，實現對語音信號實時快速處理。

語音處理；DSP；濾波

0　引言

語音信號處理包括了語音編碼、語音合成、語音識別和語音增強等，這些技術是信息高速公路、多媒體技術、數字通信等新興領域應用的關鍵技術之一。語音信號處理數據運算量大且需要實時高效處理，而DSP的高速數字信號處理能力可以滿足這一要求。基于此，文章提出了一種基于DSP的語音處理實驗教學平臺，完成語音信號各種處理功能。在日常實驗教學中，多采用試驗箱或者實驗板來完成DSP實驗，內容固定，影響了學生學習效果及動手能力的提高。針對以上問題，本文提出了一種基于TMS320C5402的語音信號處理的低成本解決方案，同時讓學生參與、完成實驗教學平臺的制作完成，提高了學生動手能力，加深了理解，提高了學習效果，同時還可以激發學生學習興趣和創新能力。

1　語音處理系統硬件設計

文章采用TI公司的DSP芯片TMS320C5402作為主處理器，完成語音信號處理算法的實現并控制整個系統運行，音頻編解碼芯片選用專門的語音CODEC芯片TLC320AD50設計了語音處理系統平臺。基于DSP的語音處理系統由DSP、音頻 CODEC模塊 、存儲器擴展模塊、電源管理、人機接口等組成［2］。系統結構圖如圖1所示：

輸入的模擬語音信號經過放大以后，進行電平移位變換為兩個差分信號，差分信號經抗混疊濾波以后進行A/D轉換，A/D轉換輸出采樣的數字語音數據通過多通道緩沖串行口McBSP送入DSP芯片，DSP芯片根據需要，按照特定的數據處理算法對語音信息進行各種信號處理，存儲到數據SRAM，或者輸出至CODEC芯片，完成數模轉換后的差動信號差動放大后再經過低通濾波以去除高頻噪聲，放大后輸出模擬語音信號。也可以根據語音信息來實現一定的控制功能，如聲紋鎖等。下面具體介紹該語音處理實驗平臺的硬件模塊。

1.1音頻CODEC模塊

語音編解碼芯片采用TI公司的TLC320AD50C采集語音信號。TLC320AD50C內部集成有16位A/D和D/A 轉換器，采用過采樣sigma-delta技術，低系統成本下實現高精度語音信號的A/D 轉換和D/A轉換，減少了硬件設計成本。TLC320AD50C輸出的抽樣形式的數字化語言信號傳輸給DSP，可以只用一個緩沖串口來同時現實數據的采集和輸出， 可以與TI的DSP處理器無縫連接，不需要其他硬件連接電路，節省了硬件開銷，降低了使用成本，因此DSP與音頻芯片TLC320AD50C的連接使用在音頻信號處理中得到了廣泛的應用。

1.2DSP模塊

語音處理實驗教學平臺的DSP采用美國TI公司的一致性定點DSP芯片TMS320VC5402。TMS320VC5402運算速度快（指令周期為10 ns），性能強、成本低、功耗低且通用性較強，廣泛應用于語音處理、無線通信系統等信號處理平臺。TMS320VC5402具有高性能的改進哈佛總線結構，帶有專用硬件邏輯，一個 17 ×17 bit的并行乘法器和一個40 bit加法器相結合完成乘法-累加操作；有片內存儲器（4K×16 bit ROM，16K×16 bit RAM）且可擴展存儲，且提供了強大的片內外圍電路，兩個多通道緩沖串行口，一個與外部處理器通信的HPI接口，用于多處理器協調工作。

1.3存儲器擴展模塊

數字語音信號數據量大，存儲語音信號時需要較大的存儲空間，DSP片內存儲資源有限，為了提高語音存儲能力，實現較長時間數字錄音，本實驗教學平臺采用片外存儲芯片在硬件上對存儲空間進行了擴展。本實驗教學平臺存儲器接口芯片采用ISSI公司的IS61LV25616AL異步靜態存儲器SRAM作為程序存儲器和數據存儲器擴展存儲，分別映射到相應地址的程序空間和數據空間。實驗平臺還擴展了固化程序的非易失性存儲器E2PROM。系統復位后，DSP 首先從外圍并行程序加載存儲器E2PROM中引導裝入執行程序，程序對 DSP及TLC320AD50C CODEC芯片等外圍設備進行初始化。除此以外，在軟件部分，還可以采用語音壓縮技術，在軟件上采用高效能的算法對語音信號進行壓縮，提高存儲語音的能力。

1.4電源管理

電源管理包括電源轉換和電平轉換。數字信號處理器內部采用3.3V和1.8V供電，需要把5V輸入電壓轉換為3.3V和1.8V，為處理器供電，采用雙路輸出低壓差電壓調整器TPS767D301芯片實現DSP的電源設計，完成電源轉換。該DSP系統是混合電壓系統，存在5V/3.3V/1.8混合供電系統，不能將DSP輸出端口直接和5V外圍擴展器件直接相連，必須進行電平轉換和信號隔離，實驗平臺采用德州儀器的16位總線收發器SN74LVCH16T245進行電平匹配和信號隔離。

1.5人機接口模塊

DSP不具備人機界面，為了提高該實驗教學平臺的教學和實訓效果，讓學生有更直觀的理解，便于觀察運行結果和傳遞必要的控制信息，學生可以在系統加入LCD接口、鍵盤接口以及LED數碼管進行人機對話。通過液晶顯示，利用按鍵來輸入和選擇需要實現的功能。實驗中，把LCD映射到DSP芯片的I/O空間， DSP芯片通過訪問I/O，實現LCD顯示。同樣的，也把鍵盤映射到DSP的I/O空間，DSP通過訪問自己的IO空間，實現對鍵盤的控制，循環對鍵盤掃描，實現按鍵和鍵值識別。通過CCS在規定的單元可觀察被按下鍵的鍵值。學生在項目中還可以根據自己興趣和需要，采用不同的LCD接口方式和鍵盤控制方案。

2　語音處理平臺實驗項目設計

傳統數字信號處理著重數字信號處理算法研究和實現，在DSP理論和實驗教學中，耗時長且影響學生實際學習效果。本課程采取項目與教學相長的項目式實驗教學方案，學生首先要完成基于DSP的語音處理實驗平臺的制作，接下來要完成DSP和CODEC芯片初始化，設置DSP中斷，語音數據存儲等工作，還要進行語音信號的壓縮、存儲、濾波等算法的完成，提高了學生動手能力，培養學生扎實的功底。

2.1硬件平臺的搭建實驗

要求學生在掌握DSP語音處理系統的接口及外圍電路的基礎上，完成電路圖的繪制、PCB版的制作以及后期器件的焊接、調試等工作，分組完成語音處理平臺的硬件制作，為接下來算法實驗做準備。實驗項目要求學生掌握ADC/DAC的性能，掌握TLV320AD50的接口及與DSP的數據傳輸技術，學習掌握完整的語音數據輸入、輸出的設計。

2.2語音信號處理算法實驗

課程要求學生在分組完成硬件平臺的搭建以后，對系統的軟硬件進行測試和仿真。測試通過以后，學生基于DSP的集成開發環境CCS，對語音信號采集、處理、存儲和數據傳輸進行設計和實現。學生要了解并掌握語音信號的采集、回放及濾波處理，掌握語音信號的各種處理算法，加深對數字信號處理的深入理解和掌握。算法實驗中，學生要掌握語音信號壓縮和壓縮方法，學習和掌握濾波器的設計原理和方法等，在此基礎上，學生可以學習研究語音增強、語音識別、語音分析的算法。

該語音該系統采用模塊化分離式結構，使用靈活方便用戶二次開發。該語音處理平臺還可作為小詞匯語音控制、連續數字識別、分布式語音識別、語音增強 、語音合成等的平臺設計參考，需要學生在實驗中積極探索和學習。

3　結束語

文章采用TMS320C5402作為處理器，用TLC320AD50作為語音codec芯片設計了語音處理系統平臺，具有較好的通用性和可擴展性。在系統軟硬件平臺搭建完成的基礎上， 進行系統集成和系統功能測試。實驗結果表明，在此系統上可較為靈活地實現預定語音處理算法，具有較好的實際效果。文章設計的語音處理系統平臺簡單高效實用，加深了學生對語音信號處理和運算的理解和掌握，有效提高了學生動手能力和創新意識，具有一定的實用、教學價值和參考意義。

于永江（1982.4-）男，河南省西平縣，博士，工程師，研究方向：信號檢測與處理，傳感器，單位：吉林大學電子科學與工程學院電工電子實驗教學中心。

王菲（1983.6-）女，吉林省長春市，碩士，工程師研究方向：嵌入式系統，單位：吉林大學電子科學與工程學院電工電子實驗教學中心。

Design of teaching experiment platform of speech processing based on DSP

Yu Yongjiang，Wang Fei
（College of Electronic Science and engineering，Jilin University，Jilin Changchun，130012）

In order to help students to learn the teaching of speech processing in DSP experimental teaching，this paper introduces a TMS320C5402 based universal voice processing teaching experimental platform，in order to cooperate with the theoretical and experimental teaching.The system uses TMS320C5402 TI as the processor，using TLC320AD50 as the voice module，to achieve real-time voice signal processing.

speech processing；DSP；filter

圖 1 系統總體框圖

蔣永生，張雄偉，曾宏輝.一種基于DSP的語音處理系統軟硬件設計［J］.電力系統通信.2007，28（181）：56-65