高效率多通道語(yǔ)音記錄系統的研制

摘 要： 介紹一種采用一片TMS320C542實(shí)現4路電話(huà)壓縮的話(huà)音處理卡，對處理卡硬件結構和RPE-LTP算法及DSP實(shí)現作了敘述，最后提出一種基于該處理卡的語(yǔ)音記錄系統的構想。

本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/242339.htm

關(guān)鍵詞： 語(yǔ)音記錄器 語(yǔ)音編解碼 數字信號處理器（DSP）規則脈沖激勵－長(cháng)時(shí)線(xiàn)性預測（RPE-LEP) ADPCM算法

多通道的語(yǔ)音記錄和回放系統有著(zhù)廣泛的應用背景，主要應用在語(yǔ)音記錄、話(huà)音檔案、數字語(yǔ)音存儲等領(lǐng)域。隨著(zhù)計算機性?xún)r(jià)比不斷提高和應用的普及，由計算機管理的語(yǔ)音系統越來(lái)越受到重視。

傳統的多通道語(yǔ)音記錄系統，過(guò)去由于受到DSP運算能力和價(jià)格的限制，一般采用ITU-G.726建議書(shū)提出的ADPCM作為壓縮語(yǔ)音的算法。該算法運算量少，最低碼率為16kb/s，但低碼率時(shí)語(yǔ)言質(zhì)量較差。近年來(lái)DSP的性?xún)r(jià)比不斷提高，這使性能更好的語(yǔ)音壓縮算法可以應用于多路語(yǔ)音壓縮系統。本項目采用了美國德州儀器（TI）的DSP芯片TMS320C542PGE-40，完成了在GSM系統中使用的規則脈沖激勵－長(cháng)時(shí)線(xiàn)性預測（RPE-LTP）算法，實(shí)現了高效率的多通道語(yǔ)音記錄系統。

本系統具有面向應用的配置和靈活的擴展接口。由配置的不同，系統可支持4～8路話(huà)音處理。系統采用ISA總線(xiàn)與PC機接口。為了加強業(yè)務(wù)擴展能力，卡上保留一個(gè)外部接口，可用于功能擴展。在無(wú)擴展部分時(shí)支持4路話(huà)音處理。

１ 硬件結構

硬件框圖如圖1所示。系統硬件包括’C542、擴展RAM、ISA總線(xiàn)接口、模擬接口、擴展接口（虛線(xiàn)框中部分）五大部分。其中，模擬接口（ADC）為T(mén)MS320AC01，擴展RAM為T(mén)C55B8016，兩者都是TI的產(chǎn)品。FIFO為IDT公司的IDT7201。

’C542是系統的核心部件，它的功能是進(jìn)行底層硬件的管理和語(yǔ)音數據的壓縮?！疌542是TI公司于1995年推出的面向移動(dòng)通信的新一代產(chǎn)品。它采用改進(jìn)的哈佛體系結構，集成了許多并行處理單元，使它特別適合完成高復雜度的算法。本系統采用的’C542具有40MIPS的運算能力?！疌542還具有幾種高效的片內外設：1個(gè)64K×16的并口，2個(gè)同步串口，1個(gè)8位的主機接口（HPI）和1個(gè)定時(shí)器。它能響應5個(gè)中斷，具有總線(xiàn)掛起功能?！疌542豐富的片內外設極大地減省了片外電路。

模擬接口由以主從方式級連在一起的四個(gè)’AC01組成，這四個(gè)ADC掛接在’C542的串口0上，如圖2所示。因為四路輸入電路相同故只完整畫(huà)出一路。此時(shí)’C542的同步串口工作在觸發(fā)模式，即：數據的傳輸由’AC01主動(dòng)觸發(fā)。四個(gè)’AC01通過(guò)FSD信號（類(lèi)似于接力棒）以時(shí)分復用方式與串口通信。首先，主’AC01發(fā)出幀同步脈沖，傳輸一個(gè)采樣點(diǎn)。串行傳完16位信息后，主’AC01通過(guò)FSD信號通知第一個(gè)從’AC01開(kāi)始傳數，同時(shí)觸發(fā)幀同步。第一個(gè)從’AC01傳完一個(gè)樣值后通知第二個(gè)從’AC01，依此類(lèi)推。待四個(gè)ADC都傳完第一個(gè)樣值后再在由主’AC01傳輸第二個(gè)樣值，如此循環(huán)。在傳入’C542的16位信息中，高14位是2進(jìn)制補碼形式的樣值。低2位為00時(shí)表示該值是由主’AC01傳入，為01表示該值是由從’AC01傳入。DSP程序根據這一點(diǎn)區分各路語(yǔ)音數據。由圖２可見(jiàn)’C542串口的收、發(fā)幀同步信號（FSR、FSX）被接在一起，所以，’C542在收到一個(gè)數據的同時(shí)也向當時(shí)發(fā)數的’AC01發(fā)出一個(gè)數據?！疉C01將收到的數據通過(guò)它的DA部分轉變成模擬量。

’AC01前端的電路為輸入整形電路。Vi首先經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，然后通過(guò)電壓跟隨器被運算電路分解成兩個(gè)差分分量in+,in-。其中in+=Vm+Vi/2;in-=Vm-Vi/2?！疉C01工作在+5V,Vm是它提供的中值電壓：Vm=2.5V。在輸入前端Vi已被限制在±5V的范圍。

在整個(gè)系統中，PC作為數據存儲器和人機交換信息窗口，它的作用是存儲數據和管理整個(gè)插卡運行，在系統的初始化階段PC機還要為DSP裝載程序。PC與’C542的接口部分由ISA總線(xiàn)和’C542的主機接口HPI組成。HPI是’C542的片內外設，它為’C542內部的一段2K字的RAM提供一個(gè)窗口，主機通過(guò)此窗口可以直接訪(fǎng)問(wèn)這段RAM?？梢?jiàn)，這段2K字RAM的作用就相當于傳統片外片擴展的雙口RAM。因為HPI的RAM在DSP片內，所以它能提供更高的讀寫(xiě)效率。同時(shí)主機接口作為一個(gè)’C542的部件，它還能用來(lái)中斷主機和接受主機中斷，’C542還有HPI的bootload方式。在本系統中，主機首先用’C542的HPI bootload方式將程序載入’C542中，并讓它運行，然后再以HPI RAM中的160字作為緩沖區來(lái)與’C542交換數據。

有了上面三個(gè)基本部分，本系統已經(jīng)具備了同時(shí)記錄和播放4路語(yǔ)音的能力。我們注意到，此時(shí)’C542的潛力還沒(méi)有得到充分的發(fā)揮。實(shí)際上，4路GSM編解碼（這種情況不常用）僅用掉約20MIPS的運算能力，為其運算能力的一半。另外，并口、串口１、定時(shí)器等片內外設都沒(méi)有使用。圖1的虛框內的部分用來(lái)擴展這部分資源。

擴展RAM是16K字的SRAM。它直接掛在’C542的地址、數據總線(xiàn)上，可以實(shí)現0等待周期讀寫(xiě)。擴展接口是板外電路訪(fǎng)問(wèn)板上資源（包括并口、串口1、定時(shí)器、中斷等）的途徑。利用這兩個(gè)部件可以進(jìn)一步提高本卡處理語(yǔ)音的能力；它能同時(shí)壓縮8路語(yǔ)音，或者它還能完成數據搬移、轉儲、分析等功能。

２ RPL-LTP算法

我們采用的語(yǔ)音編碼算法是RPE-LTP法，具體算法在ETSI-G.06.10中規定。它要求的采樣率為8kHz，采樣精度為13位，算法的原始碼率為104kb/s，編碼碼率是13kb/s，MOS分為3.6，編解碼延遲為。這種算法與傳統的多路語(yǔ)音記錄系統所采用的ADPCM算法相比具有非常良好的語(yǔ)音回放質(zhì)量。在ITU-G.726，ADPCM算法當碼率為32kb/s時(shí)MOS分為４；當碼率為24kb/s時(shí)MOS分為3.2；當碼率為16kb/s時(shí)MOS分僅為2。相應地這種算法較ADPCM算法復雜，它是一種混合編碼：它既利用了語(yǔ)音信號的相關(guān)性進(jìn)行參數編碼，又利用了激勵源信號的幅度特性進(jìn)行波形編碼。另外，還利用人耳的聽(tīng)覺(jué)特性，進(jìn)一步消除語(yǔ)音信號中的主觀(guān)冗余度。在我們的實(shí)現中，其運算復雜度為4.7M,IPS（編解碼），所用程序、數據存儲空間分別為２Ｋ和1.2Ｋ。單純地從運算能力上看，單片’C542可以壓縮近8路語(yǔ)音。因此可以預測，在多路語(yǔ)音記錄系統設計中，隨著(zhù)DSP性?xún)r(jià)比的不斷提高，一些碼率低、語(yǔ)音質(zhì)量好的壓縮算法將逐漸取代ADPCM算法。

RPE-LTP算法的流程如圖３。

３ 軟件設計

軟件部分包括DSP編程和PC編程。DSP編程的主要任務(wù)是初始化、管理板上的資源和完成語(yǔ)音編解碼算法。PC編程則重點(diǎn)在管理DSP操作和應用層軟件編寫(xiě)。DSP與PC之間的軟件接口則是一套自定義的“通信協(xié)議”。

DSP程序首先初始化’C542和模擬接口，使四個(gè)’AC01按照時(shí)分復用的方式傳輸四路語(yǔ)音的樣值。在一幀語(yǔ)音20ms之后的中斷中，服務(wù)程序首先將４路語(yǔ)音數據分開(kāi)，分別存入四個(gè)緩沖區，然后調用編碼程序依次編碼。編碼程序為每路語(yǔ)音數據保留一個(gè)緩沖區，用來(lái)保存其中間結果以備下一幀使用。編碼完成后程序將壓縮碼流寫(xiě)入HOI RAM中，同時(shí)中斷主機，主機讀出碼流后存儲。解碼過(guò)程相對簡(jiǎn)單，主機按幀將碼流寫(xiě)入HPI RAM，’C542解碼后放入輸出緩沖區，同步串口依次將該幀的數據以采樣率速度傳給’AC01回放。待一幀傳完后，’C542的中斷服務(wù)程序通知主機傳輸下一幀碼流。

系統中多路語(yǔ)音的有無(wú)是隨機的，因此在壓縮算法之前加入了話(huà)音的存在性檢測單元?？捎袃煞N選擇，一種是手工方式，即程序檢查一個(gè)硬件狀態(tài)位，它是在人工干預下觸發(fā)（如摘機）；另一種方式是利用程序進(jìn)行話(huà)音的活性檢測，它利用語(yǔ)音區別于噪聲的性質(zhì)檢測語(yǔ)音的存在性。具體算法在ETSI-G.06.32中規定。在每幀的樣值和碼流的頭部標識出該幀是否存在。

PC方的編程則包括DSP接口部分和應用層編程部分。在PC程序的開(kāi)始，與DSP接口部分的程序先調用初始化函數將DSP程序下載到DSP中。由于HPI RAM只有2k字而DSP程序大于2k字。所以初始化程序須首先在DSP中載入一個(gè)很小的自舉程序，然后通過(guò)自舉程序一段一段地把全部程序載入DSP。初始化完成后，與DSP接口部分程序再按自定義的“通信協(xié)議”在指定位置讀出DSP處理結果幀或DSP的請求幀，并將它交給上一層（應用程序）處理。應用程序亦通過(guò)與DSP接口部分程序向DSP發(fā)出各種命令。

上層應用程序是用戶(hù)使用系統的界面，它提供語(yǔ)音數據庫管理和系統管理兩項功能。語(yǔ)音數據庫管理包括語(yǔ)音的錄入、分類(lèi)、監聽(tīng)、回放等。由于硬盤(pán)空間有限，語(yǔ)音數據庫還要定期備份、清理。這部分功能是系統的重點(diǎn)，它應能使用戶(hù)以最便捷的方式管理信息。系統管理則包括設置、讀取系統狀態(tài)。它的目標是讓用戶(hù)能有效地控制系統的操作，及時(shí)獲得系統的運行狀態(tài)。

４ 基于本處理卡的話(huà)音記錄系統

在某些關(guān)鍵崗位，如廠(chǎng)礦的指揮室、遠洋輪船的指揮室、音訊服務(wù)臺，為了跟蹤事故和提高工作人員的責任感，利用本卡可以對其話(huà)音進(jìn)行記錄。利用卡中’C542的剩余處理能力可以提供諸如說(shuō)話(huà)人識別、數據分析等功能。另外，利用該卡的擴展接口還可以完成數據搬移的功能，如將遠洋輪船或戰地指揮部的全球定位數據（GPS）存入微機，以供處理。

圖４是一個(gè)實(shí)用的處理卡。該卡可以同時(shí)記錄四路電話(huà)信息和撥入、撥出的電話(huà)號碼。FIFO是回放話(huà)音時(shí)的緩沖區。同時(shí)利用RS232電路把本機信息傳出或接受串行信號。

綜上所述，本處理卡是建立在PC機上的一個(gè)語(yǔ)音記錄、管理系統。系統設計中采用了模塊化的方式，用戶(hù)可根據需要制定系統。由于DSP程序由主機下載，系統容易升級和增加功能。因次，它具有廣泛的應用前景。