基于DSP在數字語(yǔ)音壓縮系統中的應用

語(yǔ)音的數字通信無(wú)論在可靠性、抗干擾能力、保密性還是價(jià)格方面都遠優(yōu)于模擬語(yǔ)音信號，但這是以信道占用寬頻帶寬為代價(jià)的。因此為了減少語(yǔ)音信號所占用的帶寬或存儲空間，就必須對數字語(yǔ)音信號進(jìn)行壓縮編碼。
一個(gè)優(yōu)秀的語(yǔ)音壓縮系統要求能夠在軟硬件資源占用比例低和壓縮編解碼時(shí)間短的同時(shí)可以實(shí)現多通道語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮。目前，G.729A算法多是在TI的5000系列DSP上實(shí)現單通道或雙通道語(yǔ)音壓縮，而本設計在現有的TMS320C6711系列DSP平臺上使用最少的硬件資源和軟件開(kāi)銷(xiāo)，壓縮編碼解碼時(shí)間，實(shí)現了多通道語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮解壓。
選擇語(yǔ)音壓縮編碼方案
在評價(jià)一個(gè)語(yǔ)音壓縮編碼方案時(shí)，一般從四個(gè)方面考慮：質(zhì)量、速率、復雜度和延時(shí)。目前 ITU-U已制定的G系列標準如表1所示。

本系統需要的是一種低碼率、語(yǔ)音質(zhì)量良好、低時(shí)延、較低算法復雜度的壓縮方案，從表1中可以看出，從低碼率考慮就可以排除G.711、G.721、G.722和G.723。G.726在速率為16Kb/s 時(shí)，語(yǔ)音質(zhì)量為2.0，這顯然是不可以接受的。在余下的G.723.1、G.729、G.729A中，可以看到G.723.1的算法復雜度較大，而且延時(shí)較長(cháng)，所以也被排除。和G.729相比，在算法復雜度方面，G.729A有較大優(yōu)勢。實(shí)際上， G.729A是G.729的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，在語(yǔ)音質(zhì)量基本維持不變的情況下，算法簡(jiǎn)化了很多。所以本系統最后選用 G.729A算法。
G.729A編碼方案是電話(huà)帶寬的語(yǔ)音信號編碼的標準，對輸入語(yǔ)音性質(zhì)的模擬信號用8kHz、采樣，16比特線(xiàn)性PCM量化。CS-ACELP是基于碼本激勵線(xiàn)性預測（CELP）的編碼模式，每80個(gè)樣點(diǎn)為一語(yǔ)音幀，對語(yǔ)音信號分析并提取各種參數，把這些參數編碼發(fā)送。在解碼端，把收到的比特流恢復成參數編碼，解碼后得到各個(gè)參數，用自適應碼矢序號從自適應碼本中得到自適應碼矢，用固定碼矢序號從固定碼本中得到固定碼矢，分別乘以它們的增益，按點(diǎn)相加后構成激勵序列。用線(xiàn)性預測濾波器系數構成合成濾波器。用自適應碼本方法實(shí)現長(cháng)時(shí)或基音合成濾波，計算出合成語(yǔ)音后，用后置濾波器進(jìn)一步增強音質(zhì)。G.729A算法編碼器原理框圖如圖1所示。

圖1 G.729A算法編碼器原理框圖
硬件系統設計
數字信號處理器具有運行速度快、性?xún)r(jià)比高、功耗低、開(kāi)發(fā)快的特點(diǎn)。本系統選擇的TMS320C6711是高性能浮點(diǎn)數字信號處理器，可以成功地實(shí)現實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓縮和解壓。
1 系統原理框圖
本系統以TMS320C6711為核心，外擴32MB SDRAM和2MB FLASH。DSP仿真器用于DSP的在線(xiàn)調試開(kāi)發(fā)，可以通過(guò)軟件在線(xiàn)控制DSP的運行狀態(tài)，并能夠查看DSP內部寄存器。PC是開(kāi)發(fā)人員和DSP系統之間的交互界面，通過(guò)PC上安裝的CCS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員可以在友好的圖形界面下對目標系統進(jìn)行操作。系統原理框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖
2 模擬電路接口設計
TLV320AIC10芯片模擬電路設計包括麥克風(fēng)接口設計和揚聲器接口設計，由于TLV320AIC10輸出具有600Ω驅動(dòng)能力，足夠驅動(dòng)一個(gè)耳機，也可以經(jīng)過(guò)一個(gè)功率放大芯片驅動(dòng)揚聲器，所以輸出電路較為簡(jiǎn)單。
TLV320AIC10內置運算放大器電路，可以方便的與麥克風(fēng)接口，接口電路如圖3所示。應當注意的是VMID引腳最大輸出電流為5mA，為了防止輸出電流超過(guò)限制，應當串聯(lián)一個(gè)起保護作用的電位器RP1。

圖3 模擬電路接口
3 數字電路接口設計
TLV320AIC10 支持與 TI 5000和6000 系列的無(wú)縫接口。TLV320AIC10 通過(guò) McBSP接口與TMS320C6711 DSP相連，如圖4所示。

圖4 數字電路接口
注意，TLV320AIC10采用主模式，由TLV320AIC10 向TMS320C6711 DSP 提供串行通信頻率 SCLK。MCLK 提供TLV320AIC10 的工作頻率，包括串行通信頻率SCLK和采樣頻率fs。串行通信頻率為MCLK 的二分頻，fs與MCLK關(guān)系如下：fs= MCLK/（256×N），N = 1，2...，32。在本系統中 N為4，fs為8000，故MCLK是8.19MHz。
軟件系統設計
本系統實(shí)現的目標是能夠實(shí)時(shí)輸入語(yǔ)音、壓縮，并能把接收到的 G.729A 編碼解壓、播放出來(lái)。事實(shí)上 DSP 要同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)：從外部語(yǔ)音芯片獲取采集數據、編碼、解碼、把解碼后的數據送到外部語(yǔ)音芯片播放。本系統采用 TI BIOS 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，并在此基礎上開(kāi)發(fā)了硬件驅動(dòng)程序和上層應用程序，最后測試了實(shí)現結果。系統軟件結構如圖5所示。

圖5 系統軟件結構圖
實(shí)驗結果
從實(shí)驗仿真中可以得到，重建語(yǔ)音與原始語(yǔ)音的頻率峰值完全相同，都在468.75Hz，這表示G.729A的LPC參數分析和基音頻率估計是非常正確的，但是重建語(yǔ)音在200Hz、700Hz 左右有一個(gè)原始語(yǔ)音沒(méi)有的波峰，而且重建語(yǔ)音在800Hz以后的幅度沒(méi)有迅速下降。這說(shuō)明二者還是稍有差別的。
結束語(yǔ)
本文對基于DSP的G.729A語(yǔ)音壓縮算法進(jìn)行了嚴格的測試，測試結果表明：（1）算法通過(guò)了ITU-T的測試向量，達到了ITU-T標準；（2）本編碼算法對于時(shí)間長(cháng)度為10ms的一幀語(yǔ)音數據編碼需要1.1ms，解碼需要0.29ms，完全可以在TMS320C6711 DSP處理器上實(shí)時(shí)實(shí)現多路語(yǔ)音編解碼。