基于DSP的實時語音壓縮編解碼系統的設計與實現

李英華

隨著科學技術的不斷革新，我國的通信行業也得到了蓬勃的發展，在這種大背景下，通信技術必須進行不斷的更新換代才能滿足時代的發展，這就要求從事通信專業的人員不僅要很好地掌握通信知識，更要有良好的創新能力，要充分開拓思維，不斷學習新知識，為我國通信事業的發展做出貢獻。文章設計并實現了基于DSP的實時語音壓縮編解碼系統。

【關鍵詞】DSP 實時語音壓縮編解碼系統 設計 實現

信源是現代通信中最重要的組成之一，如果不做任何處理直接通過信道傳輸，就會因大量的冗余成分而給寬帶造成非常大的浪費。因此，在傳輸前必須要對信源進行壓縮處理，也就是信源編碼。由于語音信號是模擬信號，所以在現代數字通信系統使用前要對其進行數字轉換，然后壓縮處理進行儲存或者傳輸。處理后的語音信號傳輸到接收端，再進行解壓處理，然后將數字化信息還原成原始的模擬信號，整個過程就是實時語音壓縮編解碼技術。目前通用的語音編解碼技術有波形編碼、參數編碼以及混合編碼三。

1 實時語音編解碼系統硬件設計

1.1 總體結構

文章設計的實時語音壓縮編解碼系統基于DSP芯片的一路話音編譯碼器，總體結構見圖1。

硬件系統由DSP系統模塊、音頻接口模塊、USB接口模塊、外圍存儲器擴展及地址譯碼CPLD模塊、電源及復位電路模塊等組成。

其工作過程為：首先通過音頻接口芯片將模擬語音信號數字化，轉換成8KHz，采樣精度為16位的數字信號，然后通過McBSPO傳送到DSP內部緩沖區，當緩沖區內的數據達到一定幀長后，編碼算法就會將數字信號編成碼流，碼流通過數字接口輸送到信道，信道會進行二次編碼后傳輸。同時，碼流通過信道到達DSP后，在DSP內部接收緩沖區進行解碼處理，然后傳送給數模轉換器將數字化的語音信息轉換成原始的模擬語音信號，然后輸出。

1.2 各功能模塊的硬件設計

1.2.1 DSP系統模塊

本系統的核心是DSP，語音壓縮算法的實現以及控制外圍器件都要靠DSP來進行，因此，DSP芯片的選擇至關重要。

DSP具有高速運算能力，并且芯片上的資源和接口非常豐富，能夠進行復雜的數字信號處理算法，是實現實時語音編解碼系統的最佳選擇。一般情況下，語音壓縮編碼對DSP有一些要求，如工作頻率、儲存空間大小等等；此外，還需要多個雙向同步串口，來實現語音以及碼流的輸入輸出。綜合考慮，文章選用的芯片是TI公司TMS320VC54x系列中的TMS320VC5416（簡稱VC5416）。

1.2.2 DSP模塊設計

本次設計中的模塊包括DSP的核電壓1.6V以及I/O電壓3.3V供電管腳，以管腳CLKMD 1-3作為時鐘模式，引腳MP/MC為微處理器/微計算機模式，復位引腳RS，JTAG部分用來硬件實時仿真和調試，還有中斷引腳以及晶振等。

系統設計能夠通過跳線設置DSP的工作和時鐘模式，DSP的外部時鐘源由晶振電路提供。 DSP的時鐘供給方式有兩種，一種是以內部振蕩器經過倍頻的方式；另一種是依靠外部有源晶振提供。以管腳CLKMD 1-3跳線選擇使用時鐘供給的方式。由于芯片內部的邏輯電路會受到內部振蕩器的影響，所以通常選擇外部晶振的時鐘供給方式。

JTAG 是標準的仿真接口，可為DSP芯片完成CCS鏈接可硬件電路提供渠道，從而實現程序下載以及在線調試。JTAG接口包含5個標準信號引腳和2個仿真信號引腳。信號緩沖必須準確無誤，以便硬件仿真器和DSP系統能夠接收高質量的信號，所以仿真信號引腳必須滿足提供小于10us的信號上升時間。

1.2.3 音頻接口模塊設計

音頻接口模塊的任務是進行音頻信號采集、濾波和合成語音信號的轉換以及放大和回放。系統對其采樣頻率、精度以及實時性都提出了較高要求。本次設計選用了Codec芯片TLV320AIC23（簡稱AIC23），不僅能夠滿足系統要求，價格也比較便宜，其與DSP硬件連接原理見圖2。

1.2.4 USB接口模塊設計

由于DSP工作頻率較高，數據讀寫周期非常短，串口與PC機進行通信的傳輸速率較低，不能滿足實時控制的目的，而USB接口模塊能夠實現PC機和DSP之間的高速實時通信，達到實時控制DSP的目的。

2 實時語音編解碼系統軟件設計

2.1 音頻接口模塊軟件設計

音頻接口模塊的數字以及控制接口分別通過多通道緩沖串口連接到DSP，多通道緩沖串口的寄存器較多而且配置復雜，寄存器的訪問通常選擇子尋址方式。每個多通道緩沖串口都有15個寄存器一起占用DSP芯片的一個地址單元。子地址寄存器通過子數據寄存器將數據讀取和寫到子地址寄存器指定的寄存器中。本設計在本著程序簡潔的目的，寄存器的配置采用函數MCBSPx_SET來實現，僅僅能夠通過調用該函數就能夠進行寄存器配置，同時還能提供寄存器的子地址以及配置值。

音頻接口模塊的初始化包括麥克輸入初始化以及線路輸入初始化，DSP芯片能夠通過控制接口將配置值寫入音頻接口模塊內部，完成初始化。

2.2 USB接口模塊軟件設計

USB接口模塊的驅動由其固件程序進行，其初始化、請求處理、重列舉和電源管理等都靠此來實現。固件程序包括主文件、外設功能文件、描述符文件、提供中斷服務向量跳轉表文件等等。外設功能文件和描述符文件的代碼在設計過程中可根據需要進行修改和添加，使USB設備能夠實現某些特定功能。將設備初始化代碼添加到初始化函數中，為框架初始化做準備，將功能代碼添加到重復調度函數中，完成主機對設備的配置。

3 實時語音編解碼系統的實現

3.1 語音通信的實現及效果

DSP通過MIC或者Line in采集到的語音信號進行壓縮處理，然后通過數字接口進行發送或者接收，經由耳機或者聲音播放設備播放。通過相關的語音處理，MIC或者Line in采集到的語音聲效比較好。由DSP芯片組成一個完整的語音識別系統。除此之外，為了有一個好的人機界面和識別正確與否的驗證，該系統還必須具備語音提示（語音合成）及語音回放（語音編解碼記錄）功能。多為實時系統，即當用戶說完待識別的詞條后，系統立即完成識別功能并有所回應，這就對電路的運算速度有較高的要求。除了要求有盡可能好的識別性能外，還要求體積盡可能小、可靠性高、耗電省、價錢低等特點。

3.2 數據通信的實現及社會效應

數據通信能夠進行數據文件傳輸或者少量數據測試通信，并進行正確性的讀回驗證。DSP將數據通過數字接口以64kbps的速率發送出去，發送的同時會將該數據存儲到緩沖區，由PC機進行讀取驗證。在數字信道中，比特率是數字信號的傳輸速率用單位時間內傳輸的二進制代碼的有效位（bit）數來表示，其單位為每秒比特數bit/s（bps）、每秒千比特數（Kbps）或每秒兆比特數（Mbps）來表示（此處K和M分別為1000和1000000，而不是涉及計算機存儲器容量時的1024和1048576）。

4 結束語

隨著電子通信技術的不斷發展，語音信號處理技術也在不斷進步，特別是語音壓縮編解碼技術，DSP作為一種高速數字信號處理器，在語音編解碼領域有著至關重要的作用。文章就基于DSP的實時語音壓縮編解碼系統進行的設計和實現進行了研究討論，結果發現，基于DSP的實時語音壓縮編解碼系統性能穩定，且能很好地完成語音壓縮編碼以及碼流的傳輸處理，使得語音質量差的問題得到解決；同時，由于設計中采用了傳輸速率更高的USB接口，實現了PC機和DSP之間的高速實時通信，達到實時控制DSP的目的。

參考文獻

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作者單位

鄭州工商學院 河南省鄭州市 451400