摘 要: 介紹了一個完整的基于PC機(jī)和title="DSP">DSP(TMS320C50)的通用語音信號處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過編程設(shè)計可實(shí)現(xiàn)不同的語音信號分析和處理算法，能針對不同的應(yīng)用和新的處理方法，不斷添加DSP程序模塊，以此來改進(jìn)和擴(kuò)充系統(tǒng)的功能。另外，該系統(tǒng)還提供了高精度的語音數(shù)據(jù)采集和語音數(shù)據(jù)回放功能，且整個系統(tǒng)有較好的通用性和較高的運(yùn)行效率。
關(guān)鍵詞: 語音處理 數(shù)字信號處理 TMS320C50芯片
語言是人類相互溝通信息的重要工具。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是語音通信和各種語音產(chǎn)品的廣泛普及，語音信號的數(shù)字化處理在越來越多的領(lǐng)域中發(fā)揮著巨大的作用。目前，各種以語音信號數(shù)字處理為特點(diǎn)的商品已經(jīng)進(jìn)入市場，商品化的語音信號處理機(jī)也已問世，如KAY公司的CSLTM (Computerized Speech Lab)。
一個完備的語音信號處理系統(tǒng)不但要具備語音信號的采集和回放功能，而且更重要的是要能完成復(fù)雜的語音信號分析和處理算法。通常這些算法運(yùn)算量大，且又要滿足實(shí)時或準(zhǔn)實(shí)時的快速高效處理要求，因此需采用高速DSP芯片。另外，在要求系統(tǒng)滿足較好的通用性的同時，針對不同的應(yīng)用和不斷出現(xiàn)的新處理方法，還要使系統(tǒng)便于功能的改進(jìn)和擴(kuò)展。
為此，我們以PC機(jī)為主機(jī)，以TMS320C50為信號處理核心設(shè)計了該系統(tǒng)，其硬件配置框圖見圖1。其中，TMS320C50是美國Texas Instrument公司的16位定點(diǎn)DSP產(chǎn)品，它包括改進(jìn)的哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)、高性能CPU、片內(nèi)存儲器、在片外圍接口以及一套高效的匯編指令集，計算速度可達(dá)40Mips，且性能價格比好。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)硬件配置如圖1所示。
1.1 PC主機(jī)
考慮到系統(tǒng)的通用性和易實(shí)現(xiàn)性，我們把PC機(jī)作為系統(tǒng)的主機(jī)，其具體配置由不同的應(yīng)用確定。它主要提供系統(tǒng)的人機(jī)對話界面，以控制完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。
1.2 PREPROC部件
整個系統(tǒng)采用全模塊化結(jié)構(gòu)，配置靈活，調(diào)試維護(hù)方便，支持軟件實(shí)現(xiàn)的各種語音數(shù)字處理算法。整個系統(tǒng)由一臺PC機(jī)和四個模塊部件組成。這四個模塊部件分別為輸入信號放大部件(PREPROC)、功率放大部件(POSPROC)、高速數(shù)字信號處理部件(DSP)和16位高精度采樣回放部件(AD/DA)。其中，DSP部件完成具體的信號處理任務(wù)，并控制AD/DA部件完成語音信號的采集和回放;PREPROC部件完成對輸入語音信號的放大和防混疊濾波;POSPROC部件完成平滑濾波和功率放大。
該部件對話筒輸入信號或線路輸入信號進(jìn)行放大和防混疊濾波處理，其輸出供給AD/DA部件進(jìn)行采樣。其設(shè)計指標(biāo)為:話筒輸入范圍1mV～31.6mV，線路輸入范圍100mV～3.16V，輸入阻抗10kΩ，部件增益可調(diào)，在標(biāo)稱范圍內(nèi)可將信號放大到AD輸入的滿刻度±10V。其中的防混疊濾波器作為獨(dú)立的插件，詳細(xì)設(shè)計在后面說明。
1.3 POSPROC部件
該部件對D/A送出的模擬信號進(jìn)行恢復(fù)濾波和功率放大，其輸出供給揚(yáng)聲器。可輸出最大功率為1W，用來推動8Ω的揚(yáng)聲器。其中恢復(fù)濾波器作為獨(dú)立的插件，詳細(xì)設(shè)計在下面說明。
1.4 濾波器插件
本系統(tǒng)提供10kHz和20kHz兩種濾波器插件供選擇。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需要，系統(tǒng)可配置不同截止頻率的濾波器插件或外接截止頻率可調(diào)的濾波器。
系統(tǒng)提供的防混疊濾波器和恢復(fù)濾波器，分別由兩片MAX274及其外接電阻構(gòu)成的兩個八階切比雪夫低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成。由器件手冊可知，MAX274由四個同樣的濾波單元組成，每個濾波單元就是一個二階濾波器。為了方便起見，將四個濾波單元依次編號A、B、C、D。由《有源濾波器精確設(shè)計》可查得通帶起伏為0.2dB的八階切比雪夫低通濾波器的歸一化參數(shù)B和C，然后，由MAX274器件手冊可知:對于每一個濾波單元，有:
在應(yīng)用中，我們把MAX274的FC腳接地，則Rx/Ry=0.2，由此可計算出各個電阻值。實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)樽柚递^特殊，每個電阻值須由兩個精密電阻串聯(lián)得到。
1.5 DSP部件
該部件是塊插在ISA總線上的半長板，它控制AD/DA部件完成語音數(shù)據(jù)的采集和回放，并根據(jù)下載軟件完成相應(yīng)的信號分析，是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它由TMS320C50(工作頻率40MHz)、雙端口RAM(4K×8)、FIFO(1K×8)及相應(yīng)的控制電路組成。
使用時，DSP程序由主機(jī)通過雙端口RAM下載到C50的內(nèi)部程序區(qū)。采樣前，C50通過內(nèi)部定時器Timer來設(shè)置AD/DA部件的采樣頻率。單個樣點(diǎn)采樣完成后，AD/DA部件產(chǎn)生C50硬件中斷INT1，C50響應(yīng)中斷INT1，將來自AD的采樣數(shù)據(jù)寫入FIFO，主機(jī)通過讀FIFO獲得采樣數(shù)據(jù);語音回放前，C50按照回放頻率設(shè)置內(nèi)部定時器Timer，使之產(chǎn)生中斷INT1;回放時，主機(jī)將數(shù)據(jù)寫入FIFO，C50定時響應(yīng)中斷INT1，從FIFO讀取數(shù)據(jù)并將它送到DA輸出;信號處理任務(wù)在C50內(nèi)部完成，單次處理的輸入輸出數(shù)據(jù)通過雙端口RAM在主機(jī)與DSP部件之間交換。
為了方便地編寫軟件，在此我們列出DSP部件與PC機(jī)以及AD/DA部件之間的接口參數(shù):
對于PC
·雙端口RAM的地址范圍是D800H(段地址):0000H～0FFFH(偏移地址)。
·命令口CMD的地址為300H，命令字設(shè)計如下:
BIT0:復(fù)位FIFO:BIT1、BIT7:暫時未用;BIT2:復(fù)位TMS320C50;BIT3:PC與C50的握手信號:BIT4～6:產(chǎn)生C50中斷INT2～I(xiàn)NT4。
·狀態(tài)口STS的地址為0301H，狀態(tài)字設(shè)計如下:
BIT0:FIFO2空標(biāo)志;BIT1:FIFO1滿標(biāo)志;BIT2:FIFO1半滿標(biāo)志;BIT3:C50與PC的握手信號;BIT4～6暫時未用。
·FIFO1的寫地址為302H，讀地址為303H。
對于DSP
·雙端口RAM的地址范圍是F000H～FFFFH。
·狀態(tài)口STS的地址為PA1，狀態(tài)字如下:
BIT5:FIFO1空標(biāo)志;BIT6:FIFO2半滿標(biāo)志;BIT7:FIFO2滿標(biāo)志;其余位暫時未用。
·FIFO2寫地址為PA2，讀地址為PA3。
·AD采樣的地址為PA8。
·DA采用兩級鎖存，第一級鎖存地址為PA11，第二級鎖存地址為PA10。
1.6 AD/DA部件
該部件是一塊插在PC機(jī)ISA總線上的半長板，其最高采樣頻率達(dá)100kHz，它在DSP部件的控制下完成語音數(shù)據(jù)的采樣和回放。該部件的輸入輸出范圍為±10V，分辨率為16bit。A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為二進(jìn)制補(bǔ)碼格式，D/A轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)為偏移二進(jìn)制碼格式。
2 系統(tǒng)工作的軟件流程
該語音信號處理系統(tǒng)以實(shí)時方式或中斷方式工作，它們的軟件流程和結(jié)構(gòu)大體相同。這里以中斷方式為例說明軟件流程，如圖2和圖3所示。整個工作流程主要由主機(jī)控制流程和DSP中斷處理流程構(gòu)成。其中INT1用于語音信號的采樣和回放;INT2用于主機(jī)向DSP傳送程序運(yùn)行參數(shù);INT3用于主機(jī)向DSP傳送DSP程序(對于不同的分析處理有不同的DSP程序)。圖3(a)為DSP主程序流程圖，圖3(b)為INT1中斷服務(wù)流程圖，圖3(c)為INT2中斷處理流程，圖3(d)為INT3中斷服務(wù)流程。
3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果
對各部件獨(dú)立進(jìn)行電性能測試，全部達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求后，對整個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)。在系統(tǒng)全部電性能指標(biāo)達(dá)到要求后，又進(jìn)行了大量的軟件測試，結(jié)果均滿足設(shè)計要求。目前，該系統(tǒng)已被成功地運(yùn)用于“話者自動識別”的實(shí)驗(yàn)，利用它可完成語音信號的LPC分析，不同點(diǎn)數(shù)的FFT分析，實(shí)時頻譜分析等。
參考文獻(xiàn)
1 TMS320C5X User Guide.Texas Instruments Inc，1995
2 MAX274/275 Active Filters器件手冊
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