基于DSP的多路語(yǔ)音實(shí)時(shí)采集與壓縮處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3　多路語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮處理

3．1　壓縮算法
　　
考慮到壓縮率的要求和實(shí)時(shí)的要求，在本系統(tǒng)中采用13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼算法［GSM］，該算法的特點(diǎn)是在模型編碼算法中較為簡(jiǎn)單，語(yǔ)音質(zhì)量高達(dá)到了通信等級(jí)，同時(shí)具有較高的壓縮率。該算法的編碼算法包括以下幾個(gè)主要部分：

3．1．1　預(yù)處理部分
　　
去除原始語(yǔ)音信號(hào)S0（n）中的直流分量得到S0f（n），再通過(guò)一階的FIR濾波器進(jìn)行高頻預(yù)加重，得到信號(hào)S（n）。

3．1．2　LPC分析
　　
按每160個(gè)樣本點(diǎn)將信號(hào)S（n）進(jìn)行分幀，對(duì)每幀數(shù)據(jù)計(jì)算出8個(gè)LPC反射系數(shù)γ（i），i＝0，1，2，…，7；再轉(zhuǎn)換成對(duì)數(shù)面積比參數(shù)LAR（i），i＝1，2…7；并對(duì)所得的LAR（i）進(jìn)行量化編碼得到LARC。

3．1．3　短時(shí)分析濾波
　　
短時(shí)分析濾波是一個(gè)8級(jí)格型濾波器，通過(guò)短時(shí)分析濾波，得到線(xiàn)性預(yù)測(cè)（LP）余量d（n）。

3．1．4　長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)
　　
利用長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)綜合對(duì)LP短時(shí)余量信號(hào)d（n）處理以進(jìn)一步的去除冗余度。長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)是按子幀進(jìn)行處理的，每一幀分成4個(gè)子幀。
3．1．5　規(guī)則脈沖編碼
　　
對(duì)經(jīng)過(guò)短時(shí)、長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)后得到的LP余量信號(hào)，進(jìn)行加權(quán)濾波、規(guī)則脈沖提取和量化編碼。

在本系統(tǒng)的DSP上該算法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)性能如下：
·碼流速率13 Kb／s
·編碼運(yùn)算量　3 MIPS
·解碼運(yùn)算量　0．7 MIPS
·程序量　2 KWORD　　
·占用數(shù)據(jù)RAM 1 KWORD

3．2　多路語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮處理的軟件實(shí)現(xiàn)
　　
由于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)13 Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法只占用了DSP的3MIPS的運(yùn)算量，而解碼運(yùn)算量為0．7 MIPS故在本系統(tǒng)的具有33 MIPS的運(yùn)算速度的DSP上，可軟件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)多達(dá)10通道的13Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法和1通道的解碼算法。同時(shí)，還有2MIPS的運(yùn)算速度用于系統(tǒng)控制與管理。根據(jù)本系統(tǒng)的要求，已成功實(shí)現(xiàn)了8通道的13Kb／sRPE－LTP－LP編碼算法和1通道的解碼算法。因此，本系統(tǒng)的DSP在完成要求的多路語(yǔ)音采集與壓縮處理任務(wù)的條件下，還有一定的處理能力用于系統(tǒng)其它的擴(kuò)展處理上。本系統(tǒng)的多路語(yǔ)音實(shí)時(shí)壓縮處理的系統(tǒng)軟件框圖如圖2所示。

　
由圖2可以看出，軟件設(shè)計(jì)主要包括4大部分：

·命令解釋與控制模塊
·13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼模塊
·多通道語(yǔ)音編解碼控制模塊　　
·接口功能模塊

3．2．1　命令解釋與控制模塊
　　
命令解釋與控制模塊主要是用于解釋由PC機(jī)通過(guò)IDMA口發(fā)來(lái)的各種命令，如發(fā)送或接收編解碼數(shù)據(jù)、設(shè)置PC機(jī)與DSP的數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量的大小、查詢(xún)編解碼狀態(tài)以及啟動(dòng)，停止編解碼操作等。該模塊不直接與PC機(jī)打交道，而是通過(guò)接口功能模塊，間接實(shí)現(xiàn)與主CPU的數(shù)據(jù)信息交換。

3．2．2　13 Kb／sRPE－LTP－LP編解碼模塊
　　
該模塊是一個(gè)單通道13 Kb／sRPE－LTP－LP語(yǔ)音編解碼模塊。它是本系統(tǒng)的語(yǔ)音壓縮處理的核心部分，為使該模塊具有通用性，為該模塊單獨(dú)形成一個(gè)ADSP－2100系列語(yǔ)言庫(kù)，可與任何其它ADSP－2100系列模塊相連。

3．2．3　多通道語(yǔ)音編解碼控制模塊
　　
該模塊基于單通道13 Kb／sRPE－LTP－LP語(yǔ)音編解碼模塊，實(shí)現(xiàn)多通道語(yǔ)音編碼和單通道語(yǔ)音解碼。對(duì)于多通道語(yǔ)音編碼，一方面，當(dāng)某通道采集到一幀160點(diǎn)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)，調(diào)用語(yǔ)音編碼模塊對(duì)該幀進(jìn)行編碼，并將編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)按約定的格式存放到各通道的編碼數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中；另一方面，由于語(yǔ)音的模型編碼是前后幀相關(guān)聯(lián)的，所以該模塊還必須將當(dāng)前通道的當(dāng)前幀編碼后的必須保存的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進(jìn)行保存，以及在調(diào)用語(yǔ)音編碼模塊對(duì)當(dāng)前幀進(jìn)行編碼前，恢復(fù)上一幀編碼后的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。對(duì)于單通道語(yǔ)音解碼，則只需在接收到由PC機(jī)傳送來(lái)的壓縮數(shù)據(jù)后，調(diào)用解碼模塊，然后將解碼后的160點(diǎn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)送到D／A的串口1發(fā)送緩沖區(qū)。

3．2．4　接口功能模塊
　　
該模塊實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)的數(shù)據(jù)的實(shí)際交換工作，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)DSP的數(shù)據(jù)采集與控制。由于它是軟件設(shè)計(jì)中唯一與硬件相關(guān)的模塊，故該模塊在設(shè)計(jì)上盡量與其它模塊獨(dú)立。這樣，當(dāng)硬件有所改變時(shí)，可不必改變其他模塊。

4　結(jié)　論
　　
本系統(tǒng)由于采用了DSP技術(shù)，使得多路語(yǔ)音的采集和壓縮處理得以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)還使系統(tǒng)具有較高的可編程性能?；谠撓到y(tǒng)的某語(yǔ)音記錄儀已經(jīng)通過(guò)省、部級(jí)的鑒定。本系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)說(shuō)明數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)采用基于DSP技術(shù)，將大大提高系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)處理的能力。而且，當(dāng)今的DSP的處理速度和數(shù)據(jù)管理能力還在迅速地提高，其價(jià)格也降到能應(yīng)用于一般的應(yīng)用場(chǎng)合。如ADSP－21061，40 MIPS的運(yùn)算速度，10個(gè)DMA控制器，40位浮點(diǎn)運(yùn)算精度，數(shù)據(jù)管理能力可達(dá)240Mbytes／s，其售價(jià)也只有30～40美元。因此，開(kāi)發(fā)和研究基于DSP技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)具有重要的實(shí)際意義。