DSP課程設(shè)計(jì)語音壓縮存儲(chǔ)回放

精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)DSP課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告語音壓縮、存儲(chǔ)與回放小組成員：自動(dòng)化0801宋曉美自動(dòng)化0801王丹指導(dǎo)教師：高海林2011年1月概述數(shù)字信號(hào)處理（DSP）課程設(shè)計(jì)是信息與通信、自動(dòng)化和電子科學(xué)技術(shù)專業(yè)本科生進(jìn)行綜合能力培養(yǎng)的實(shí)踐課程，是培養(yǎng)學(xué)生DSP系統(tǒng)的軟硬件工程設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)于全面、系統(tǒng)、深入地理解與掌握信號(hào)處理知識(shí)與設(shè)計(jì)方法具有重要的教學(xué)意義。作為通信專業(yè)的畢業(yè)生，理應(yīng)牢固掌握數(shù)字信號(hào)處理的相關(guān)知識(shí)，了解集成開發(fā)環(huán)境的使用和調(diào)試方法，內(nèi)化信號(hào)處理的基本理論知識(shí)。本次實(shí)驗(yàn)采用DSPC5402實(shí)驗(yàn)板實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的壓縮與解壓的。語音信號(hào)是信息的重要形式,語音信號(hào)處理有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，而語音壓縮在語音信號(hào)的傳輸、存儲(chǔ)等方面有非常廣泛的作用，而且在通信領(lǐng)域中以及有較成熟的發(fā)展并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)主要分為語音信號(hào)接收、壓縮、解壓和輸出幾部分。信號(hào)的接收和輸出采用DMA方式，DMA是C5400DSP系統(tǒng)中非常重要的片上外設(shè)，其控制器可以在不影響CPU的情況下完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此數(shù)據(jù)傳輸速度快，其數(shù)據(jù)的源和目的可以是片內(nèi)存儲(chǔ)器片上外設(shè)和片外設(shè)備。C5402的DMA擁有6個(gè)獨(dú)立的可編程通道，允許6個(gè)不同的DMA操作。另外DMA控制器還相應(yīng)HPI的服務(wù)請(qǐng)求。SEED-VC5402DSK實(shí)驗(yàn)板上集成了SRAM,FLASH,音頻輸入輸出接口等部件。這些外設(shè)為我們提供了極大的方便。語音信號(hào)模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換采用AD50，這是一款SIGMA-DELTA型單片音頻接口芯片（AIC）。它內(nèi)部集成了16位的D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達(dá)22.05kb/s，其采樣速率可通過DSP編程來設(shè)置。在DAC之前有一個(gè)插值濾波器以保證輸出信號(hào)平滑和ADC之后有一個(gè)抽取濾波器以提高輸入信號(hào)的信噪比。設(shè)計(jì)任務(wù)書1、設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)（1）使用DSP實(shí)現(xiàn)語音壓縮和解壓縮的基本算法，算法類型自定，例如可以采用G.711、G.729等語音壓縮算法。（2）采用A/D轉(zhuǎn)換器從MIC輸入口實(shí)時(shí)采集語音信號(hào)，進(jìn)行壓縮后存儲(chǔ)到DSP的片內(nèi)和片外RAM存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)時(shí)間不小于10秒。（3）存儲(chǔ)器存滿之后，使用DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)解壓縮，并從SPEAKER輸出口進(jìn)行回放輸出。使用指示燈對(duì)語音存儲(chǔ)和回放過程進(jìn)行指示。2、設(shè)計(jì)思路語音信號(hào)的幅度（發(fā)音強(qiáng)度）并非均勻分布，由于小信號(hào)占的比例比大信號(hào)大很多，因此可以進(jìn)行非均勻量化。達(dá)到這一目標(biāo)的基本做法是，對(duì)大信號(hào)使用大的量化間隔，而小信號(hào)則使用小的臺(tái)階。ITU-TG.711建議的PCMA律和μ律語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)可以分別將13比特和14比特壓縮為8比特，達(dá)到語音壓縮的目的。設(shè)計(jì)任務(wù)（1）編寫C語言程序，并在CCS集成開發(fā)環(huán)境下調(diào)試通過。（2）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的各項(xiàng)功能。（3）按要求撰寫設(shè)計(jì)報(bào)告。二、實(shí)驗(yàn)原理1.語音編碼（1）概念：語音編碼一般分為兩類：一類是波形編碼，一類是被稱為“聲碼器技術(shù)”的編碼。PCM編碼即脈沖編碼調(diào)制。波形編碼的最簡單形式就是脈沖編碼調(diào)制（Pulsecodemodulation），這種方式將語音變換成與其幅度成正比的二進(jìn)制序列，而二進(jìn)制數(shù)值往往采用脈沖表示，并用脈沖對(duì)采樣幅度進(jìn)行編碼，所以叫做脈沖編碼調(diào)制。脈沖編碼調(diào)制沒有考慮語音的性質(zhì)，所以信號(hào)沒有得到壓縮。（2）量化：脈沖編碼調(diào)制用同等的量化級(jí)數(shù)進(jìn)行量化，即采用均勻量化，而均勻量化是基本的量化方式。但是均勻量化有缺點(diǎn)，在信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大而方差較小的時(shí)候，其信噪比會(huì)下降。國際上有兩種非均勻量化的方法：A律和μ律，μ律是最常用的一種。在美國，7位μ律是長途電話質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。而我國采用的是A律壓縮，而且有標(biāo)準(zhǔn)的A律PCM編碼芯片。2.壓縮、解壓原理由于語音信號(hào)是模擬信號(hào)，要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮、存儲(chǔ)就必須對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，把轉(zhuǎn)換后的語音數(shù)字信號(hào)輸入DSP系統(tǒng)，由DSP系統(tǒng)對(duì)語音數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。把處理后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成原來的模擬語音信號(hào)，然后通過耳機(jī)或其他音頻輸出設(shè)備把語音進(jìn)行回放。語音的采集和回放的基本結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。模擬信號(hào)源模擬信號(hào)源A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)字邏輯電路DSPD/A轉(zhuǎn)換電路模擬信號(hào)輸出圖3語音的采集和回放的基本結(jié)構(gòu)圖數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是信息系統(tǒng)的重要技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的高效處理，往往在模/數(shù)轉(zhuǎn)換的過程中就須要壓縮主要程序。目前通信系統(tǒng)中最常用的就是A律和u律兩種壓縮編碼技術(shù)。u律/A律壓縮解壓編碼是CCITT國際電報(bào)電話協(xié)會(huì)最早推出的G.711語音壓縮解壓編碼的一種格式的主要內(nèi)容。其中歐洲和中國等國家采用A律壓縮解壓編碼，美國和日本等國家采用u律壓縮解壓編碼。A律算法：本實(shí)驗(yàn)所用的A律壓縮解壓編碼，通過DSP將傳輸來的壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)行行解壓成16位，然后對(duì)解壓后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。然后將處理后的數(shù)據(jù)按照要求壓縮成8位的數(shù)據(jù)格式輸出到相應(yīng)設(shè)備，供其它設(shè)備讀取。A律算法公式：下圖是DSP將數(shù)據(jù)解壓的值，DSP將壓縮的8位數(shù)據(jù)解壓成16位的DSP通用數(shù)據(jù)格式。其中高13位為解壓后的數(shù)據(jù)，低3位補(bǔ)0。這是因?yàn)镚.711的A律壓縮只能對(duì)13位的數(shù)據(jù)操作。DSP將解壓后的數(shù)據(jù)放在緩沖串口的發(fā)送寄存器中。只要運(yùn)行發(fā)送指令緩沖串口就會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。圖4數(shù)據(jù)壓縮解壓流程圖DSP的內(nèi)部緩沖串口帶有硬件實(shí)現(xiàn)的u律和A律壓縮解壓，用戶只需在相應(yīng)寄存器中設(shè)置就可以了。TMS320C5402硬件支持μ律和A律壓縮算法無需重新設(shè)置，直接編程調(diào)用查找表即可，在進(jìn)行A律壓縮時(shí)，對(duì)于采樣到的12（應(yīng)改為13）位數(shù)據(jù)，默認(rèn)其最高位為符號(hào)位，壓縮時(shí)要保證最高位即符號(hào)位不變，原數(shù)據(jù)后11（應(yīng)改為12）位要壓縮成7位。這7位碼由3位段落碼和4位段內(nèi)碼組成。壓縮后數(shù)據(jù)的最高位（第7位）表示符號(hào)，量價(jià)分別為1、1、2、4、8、16、32、64，由壓縮后數(shù)據(jù)的第6位到第4位決定，第三位到第0位是段內(nèi)碼。壓縮后的數(shù)據(jù)有一定的失真，數(shù)據(jù)壓縮前后的對(duì)照表如表1所示。12位碼（十進(jìn)制）量價(jià)符號(hào)位段落碼（二進(jìn)制）段內(nèi)碼（二進(jìn)制）0111116～31100010000～111132～63200100000～111164～127400110000～1111128～255801000000～1111256～5111601010000～1111512～10233201100000～11111024～20476401110000～1111表1A律數(shù)據(jù)壓縮表μ律算法：采用μ律算法對(duì)采集的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，μ律編碼是一種針對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)壓縮非均勻量化的方案。采用μ律對(duì)信號(hào)進(jìn)行對(duì)數(shù)形式的壓縮，以便在不提高數(shù)據(jù)量的前提下提高信噪比，盡管量化的位數(shù)保持不變，但動(dòng)態(tài)范圍增加了。μ律壓縮的語音信號(hào)一般用8比特抽樣數(shù)據(jù)表示，攜帶小信號(hào)信息量比大信號(hào)信息量多。從統(tǒng)計(jì)意義上講，有用信號(hào)更可能在小信號(hào)區(qū)間而非大信號(hào)區(qū)間。因此，在小信號(hào)區(qū)間需要更多的量化點(diǎn)數(shù)。μ律算法公式:其中Xmax是信號(hào)x(n)的最大幅度，u是控制壓縮程序的參數(shù)，u越大壓縮就越厲害μ律查找表內(nèi)共有256個(gè)數(shù)，分別用來獲得0—7段量化電壓，其由16×16組數(shù)組成。由下表看大信號(hào)多數(shù)由第7段表示，三個(gè)指數(shù)位用來表示第0-7段，4個(gè)尾數(shù)位用于表示后4個(gè)有效位，還有一位符號(hào)位沒有給出。16比特輸入數(shù)據(jù)是由線性數(shù)據(jù)變換成8比特μ律數(shù)據(jù)（模擬傳輸），然后再從μ律轉(zhuǎn)成16比特的線性數(shù)據(jù)（模擬接收），再輸出到編解碼器。壓縮前碼字丟棄的比特?cái)?shù)壓縮后的碼字偏置的輸入（模值,無符號(hào)位）量化后的值（無符號(hào)位）比特：14131211109876543210比特：654321000000001abcd1╳╳3000a0000001abcd1╳╳╳4001abcd000001abcd1╳╳╳╳5010abcd00001abcd1╳╳╳╳╳6011a0001abcd1╳╳╳╳╳╳7100a001abcd1╳╳╳╳╳╳╳8101abcd01abcd1╳╳╳╳╳╳╳╳9110abcd1abcd1╳╳╳╳╳╳╳╳╳10111a表2線性到U律轉(zhuǎn)換表（壓縮表）上表為壓縮表：其中壓縮后的數(shù)據(jù)為8位，符號(hào)位未寫出。其解壓表與之相反：由8位U律變換到線性16位。上圖給出了按m律壓擴(kuò)算法的輸入輸出特性曲線，m為確定壓縮量的參數(shù)，它反映最大量化間隔和最小量化間隔之比。由圖可見，m值越大，壓縮量越大。由于m律壓擴(kuò)的輸入和輸出關(guān)系是對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系，所以這種編碼又稱為對(duì)數(shù)PCM。A律壓擴(kuò)與m律壓擴(kuò)相比，則壓縮的動(dòng)態(tài)范圍略小些，小信號(hào)振幅時(shí)質(zhì)量要比m律稍差。無論是A律還是m律算法，它們的特性在輸入信號(hào)振幅小時(shí)都呈線性，在輸入信號(hào)振幅大時(shí)呈對(duì)數(shù)壓縮特性。對(duì)于采樣頻率為8kHz，樣本精度為16位的輸入信號(hào)，使用A律壓擴(kuò)或m律壓擴(kuò)編碼，經(jīng)過PCM編碼器之后每個(gè)樣本的精度為8位，輸出的數(shù)據(jù)率為64kb/s。這個(gè)數(shù)據(jù)就是CCITT,（國際電話與電報(bào)顧問委員會(huì)）推薦的G.711標(biāo)準(zhǔn)：話音頻率脈沖編碼調(diào)制。3.存儲(chǔ)和回放通過定義適當(dāng)大的緩沖區(qū)，將壓縮后的8位或4位數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的整合，存儲(chǔ)到16位的RAM中，這種操作目的主要是充分利用存儲(chǔ)器中的資源，以保證能夠錄入足夠多的語音數(shù)據(jù)。利用緩沖區(qū)的目的是進(jìn)行音效的實(shí)時(shí)處理．系統(tǒng)中各模塊是同時(shí)進(jìn)行處理的，一部分信號(hào)正在ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號(hào)則在DSP處理器中同時(shí)進(jìn)行算法處理，即整個(gè)系統(tǒng)是以流水線的方式進(jìn)行工作的。通過解壓縮，將8位或4位數(shù)據(jù)還原成相應(yīng)的語音數(shù)據(jù)，在經(jīng)過AD50C將數(shù)字信號(hào)還原成語音信號(hào)（即模擬信號(hào)）通過多通道緩沖串口輸出，達(dá)到放音的目的。三、軟件設(shè)計(jì)程序流程圖：開始開始實(shí)驗(yàn)板初始化CODEC與McBSP初始化與工作方式設(shè)置輸入語音信號(hào)語音壓縮、存儲(chǔ)解壓、回放是否結(jié)束？YN結(jié)束定時(shí)器延時(shí)1.DSK板的初始化:首先將DSP的串口1復(fù)位，再對(duì)串口1的16個(gè)寄存器進(jìn)行編程，使串口1工作在以下狀態(tài)：禁止SPI模式，但數(shù)據(jù)相，每幀一字，每字16位，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘?hào)和移位信號(hào)有外部時(shí)鐘產(chǎn)生。DSP給AD50編程用查詢方式，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的接收和D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式。此語句調(diào)用了函數(shù)codec_open()對(duì)串口1進(jìn)行了初步設(shè)置，設(shè)置成功返回codec的句柄放在變量hHandset中，作為調(diào)用其他函數(shù)的實(shí)參。2.AD50（即CODEC）的初始化：hHandset=codec_open(HANDSET_CODEC);codec_dac_mode(hHandset,CODEC_DAC_15BIT);/*DAC15bit模式*/codec_adc_mode(hHandset,CODEC_ADC_15BIT);/*ADC15bit模式*/codec_ain_gain(hHandset,CODEC_AIN_6dB);/*輸入6dB增益*/codec_aout_gain(hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_6dB);/*輸出-6dB增益*/codec_sample_rate(hHandset,SR_16000);/*16KHz采樣率*/該初始化過程調(diào)用了5個(gè)函數(shù)對(duì)AD50的5項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置，包括ADC和DAC的工作模式，模擬輸入和輸出的增益；以及AD/DA的轉(zhuǎn)換速率。用TMS320VC5402實(shí)現(xiàn)語音的A率壓縮解壓有兩種方法：（1）使用多通道緩沖串口（McBSP）的縮展器在多緩沖通道串口（McBSP）內(nèi)部裝置了硬件電路，支持A律格式縮展器，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮與擴(kuò)展，A律縮展器允許14比特的動(dòng)態(tài)范圍。（2）用軟件實(shí)現(xiàn)主程序的功能是從McBSP的接收通道讀取A/D轉(zhuǎn)換的值，然后經(jīng)過壓縮解壓后將其發(fā)送到McBSP的發(fā)送通道，構(gòu)成AD50CODEC模擬輸入和輸出通道的自環(huán)，是否能接收到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)是通過查詢串口1的接收標(biāo)志RRDY來進(jìn)行的。四、程序設(shè)計(jì)：主程序：#include<type.h>/*頭文件*/#include<board.h>#include<codec.h>#include<mcbsp54.h>/*宏定義*/#define SIGN_BIT (0x80) /*SignbitforaA-lawbyte.*/#define QUANT_MASK (0xf) /*Quantizationfieldmask.*/#define NSEGS (8) /*NumberofA-lawsegments.*/#define SEG_SHIFT (4) /*Leftshiftforsegmentnumber.*/#define SEG_MASK (0x70) /*Segmentfieldmask.*//*函數(shù)聲明*/voiddelay(s16period);voidled(s16cnt);voidinitcodec(void);voidflashenable(void);unsignedchardata2alaw(s16pcm_val);intalaw2data(unsignedchar a_val);staticintsearch(intval,short *table,intsize);/*全局變量*/HANDLEhHandset;s16data;s16data1;u16i=0;u16temp1;u16j=0;u16k,l=0;u8temp2;u16buffer[20000];staticshortseg_end[8]={0x1F,0x3F,0x7F,0xFF,0x1FF,0x3FF,0x7FF,0xFFF};/*主函數(shù)*/voidmain(){if(brd_init(100))return;led(2);//閃燈兩次initcodec();//初始化codecflashenable();//選擇片外FLASH為片外存儲(chǔ)器/*delay(100);brd_led_toggle(BRD_LED0);for(i=0x9000;i<0xefff;i++){REG_WRITE(i,*(volatileu16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC));delay(20);}brd_led_toggle(BRD_LED1);delay(200);for(i=0x9000;i<0xefff;i++){*(volatileu16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=REG_READ(i);delay(20);}brd_led_toggle(BRD_LED2);*/while(1){while(!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC)){};//等待接收handset處的采樣brd_led_toggle(BRD_LED0);data=*(volatileu16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC);//從handset處讀取采樣temp1=data2alaw(data);//對(duì)采樣進(jìn)行a律壓縮/*把低地址數(shù)據(jù)放在高八位高地址數(shù)據(jù)放在低八位*/i=i+1; if(i%2==1) { buffer[j]=(temp1<<=8); /*奇數(shù)數(shù)據(jù)左移8位temp1=abcdefgh buffer[j]=temp1*/ } else { buffer[j]=(buffer[j]|temp1); /*偶數(shù)數(shù)據(jù)與temp1取或組成新的數(shù)據(jù)buffer[j]=abcdefghiabcdefghi*/ j++;//j加1 } if(i>=40000) { i=0; } if(j>=20000) { j=0; brd_led_disable(BRD_LED0); brd_led_toggle(BRD_LED1);//點(diǎn)亮二極管1表示放音開始/*放音部分*/ for(k=0;k<40000;k++) { if(k%2==0) { temp2=(buffer[l]>>8)&0x0ff; } else { temp2=buffer[l]&0x0ff; l++; } if(l>=20000) l=0; data1=alaw2data(temp2);//a律解壓 while(!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)){}; *(volatileu16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=data1;//將數(shù)據(jù)寫入D/A轉(zhuǎn)換器 }/*放音結(jié)束*/ brd_led_toggle(BRD_LED0);brd_led_toggle(BRD_LED1); }}}//主程序結(jié)束/*子函數(shù)*//*******延時(shí)******/voiddelay(s16period){inti,j;for(i=0;i<period;i++){for(j=0;j<period>>1;j++);}}/*******閃燈******/voidled(s16cnt){ while(cnt--) { brd_led_toggle(BRD_LED0);//切換LED指示燈0的顯示狀態(tài) delay(1000); brd_led_toggle(BRD_LED1); delay(1000); brd_led_toggle(BRD_LED2); delay(1000); }}/*****初始化codec**/voidinitcodec(void){/*OpenHandsetCodec獲取設(shè)置codec的句柄*/hHandset=codec_open(HANDSET_CODEC);//Acquirehandletocodec/*Setcodecparameters*/codec_dac_mode(hHandset,CODEC_DAC_15BIT);//DACin15-bitmodecodec_adc_mode(hHandset,CODEC_ADC_15BIT);//ADCin15-bitmodecodec_ain_gain(hHandset,CODEC_AIN_6dB);//6dBgainonanaloginputtoADCcodec_aout_gain(hHandset,CODEC_AOUT_MINUS_6dB);//-6dBgainonanalogoutputfromDACcodec_sample_rate(hHandset,SR_8000);//8KHzsamplingrate}/*****設(shè)置flash****/voidflashenable(void){CPLD_CTRL2_REG|=0x0010;CPLD_DMCTRL_REG|=0x0040;}/*****a律壓縮******/unsignedchardata2alaw(s16pcm_val) { int mask; int seg; unsignedchar aval; if(pcm_val>=0) { mask=0xD5; //標(biāo)記(7th)bit=1 } else { mask=0x55; //標(biāo)記bit=0 pcm_val=-pcm_val; } //Convertthescal