基于TMS320C5409的語音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要： 本文介紹的就是一種基于TMS320C5409的語音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)。另外，考慮到在實(shí)際系統(tǒng)中語音的壓縮存儲(chǔ)和語音變速往往是同時(shí)需求的，因此本文提出一種基于LPC低比特率語音編碼算法的語音變速算法，該算法能夠任意調(diào)整語音語速。
Abstract：
Key words :
在外語多媒體教學(xué)中，要求對語速進(jìn)行快慢控制，以適應(yīng)不同程度學(xué)生的需求。然而，傳統(tǒng)的title="語音">語音變速產(chǎn)品往往在教師改變語速的同時(shí)，也改變了原說話者的語調(diào)，不能達(dá)到教學(xué)的真正目的。因此，語音變速系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備調(diào)整語速的同時(shí)，還需要保證原說話者語調(diào)保持不變的特點(diǎn)。本文介紹的就是一種基于TMS320C5409的語音實(shí)時(shí)變速系統(tǒng)。另外，考慮到在實(shí)際系統(tǒng)中語音的壓縮存儲(chǔ)和語音變速往往是同時(shí)需求的，因此本文提出一種基于LPC低比特率語音編碼算法的語音變速算法，該算法能夠任意調(diào)整語音語速。
LPC算法
LPC編碼將語音信號(hào)s(n)看作一個(gè)時(shí)變的聲道系統(tǒng)在聲門的激勵(lì)之下的輸出信號(hào)。對濁音而言，聲門激勵(lì)為一周期脈沖串；而對清音而言，聲門激勵(lì)為隨機(jī)噪聲序列。語音信號(hào)的簡化框圖如圖1所示。
在LPC編碼中，可以將一幀的語音信號(hào)用簡化模型的參數(shù)來表示，如濁音、清音判別，基音周期，增益G以及數(shù)字濾波器系數(shù){a1}，這樣就可以獲得3kb/s的編碼。解碼時(shí)，由于在LPC編碼中，濁音可以看作是一周期脈沖串的激勵(lì)，其中，脈沖周期為基音周期，因此，為了改變語音的速率，我們將語音的幀長變長，在其中再加入若干的脈沖串的激勵(lì)即可得到變速的語音信號(hào)。
硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)是一個(gè)完善的應(yīng)用系統(tǒng)，主要完成對語音信號(hào)的實(shí)時(shí)LPC編解碼及語音變速，此外，還具有鍵盤控制功能和語音錄放功能。因此，本系統(tǒng)不但需要外部的SRAM存放語音數(shù)據(jù)，而且需要與DSP相連接的鍵盤控制設(shè)備。本系統(tǒng)主要由TMS320C5409、TLC320AD50、SST39VF400A和CY7C133等構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。TMS320C5409內(nèi)部提供的32K字片內(nèi)RAM用來存放實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，片外SRAM(CY7C133)用于存放編碼后的語音數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)加電后，通過復(fù)位建使TMS320C5409復(fù)位。TMS320C5409復(fù)位后，由內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序?qū)lash(SST39VF400A)上的程序和初始化數(shù)據(jù)搬移到片內(nèi)RAM，然后TMS320C5409根據(jù)鍵盤的控制執(zhí)行操作，運(yùn)行LPC編碼運(yùn)算(錄音)、LPC解碼和語音變速(放音)，調(diào)整語音變速速率。
TMS320C5409用于實(shí)現(xiàn)語音的編解碼算法，TLC320AD50用于完成語音信號(hào)的數(shù)/模和模/數(shù)轉(zhuǎn)換功能。TMS320C5409與TLC320AD50之間通過McBSP串口通信。為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)McBSP通過DMA收到或發(fā)送完一組單元后，再給CPU中斷的方式跟CPU通信。TMS320C5409與TLC320AD50的接口如圖3所示。
采用DMA的方式，即串口每收到或發(fā)送一組單元，都會(huì)自動(dòng)觸發(fā)DMA將其搬送到一個(gè)內(nèi)部的Buffer中，等Buffer滿了再通過中斷方式告訴CPU處理。這時(shí)DMA最好采用ABU(Auto Buffering)模式，可以有效防止Buffer中的數(shù)據(jù)在串口速率較高時(shí)被新數(shù)據(jù)沖掉的問題。在進(jìn)行語音變速時(shí)，只需要將13MA通道的幀長做相應(yīng)的改變即可。
SST39VF400A(256K×1 6位)作為TMS320C5409的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址總線和數(shù)據(jù)總線接至TMS320C5409的外部總線，CR接至TMS320C5409的DS。TMS320C5409與SST39VF400A的接口如圖4所示。
外部存儲(chǔ)器采用的是CY7C133，它是高速的2K×16bit的靜態(tài)異步雙端口RAM，其存儲(chǔ)速度為25ns。它有兩套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線，允許兩個(gè)控制器件中的數(shù)據(jù)通過共同連接的存儲(chǔ)器來進(jìn)行通信。該雙端口RAM允許兩個(gè)控制器同時(shí)讀取任何存儲(chǔ)單元(包括同時(shí)讀同一單元)，但不允許同時(shí)寫或者一讀一寫統(tǒng)一地址單元。
對于TMS 320VC5402，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器CY7C133的對應(yīng)地址為4000H～47FFH。
系統(tǒng)軟件
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是鍵盤控制功能和語音錄放功能，并且能夠?qū)⑤斎氲恼Z音信號(hào)以任意變速率播放而不改變語音的聲調(diào)。系統(tǒng)采用C語言進(jìn)行功能開發(fā)。
本系統(tǒng)中將HPI口映射成為GPIO，并且將鍵盤連線通過"或"門接到INTO。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，INTO中斷處理程序通過從GPIO中讀出的數(shù)值判斷此時(shí)是錄音、放音、語速變快還是語速變慢。
抗干擾設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中既采用硬件抗干擾技術(shù)，也采用了軟件抗干擾技術(shù)。下面簡要介紹一下本系統(tǒng)所采用的硬件看門狗和數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)。
利用硬件看門狗功能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。由專用芯片MAX692構(gòu)成的看門狗電路(圖5)，系統(tǒng)所用外圍元件少。MAX692是微系統(tǒng)監(jiān)控電路芯片，具有后備電池切換、掉電判別、看門狗監(jiān)控等功能。其中WDI是看門狗檢測輸入端，接到數(shù)字電路系統(tǒng)的一個(gè)專用I/O口或一個(gè)總線口上。RESET是復(fù)位信號(hào)輸出端，接數(shù)字電路系統(tǒng)的復(fù)位端RST。MAX692的WDI定時(shí)周期為1.6 s，復(fù)位脈沖寬度是200ms。如果WDI保持高或低超過"看門狗"定時(shí)周期(1.6s)，RESET端將發(fā)生200ms寬(最小140ms)的負(fù)脈沖使數(shù)字電路系統(tǒng)復(fù)位。
設(shè)數(shù)字濾波器的輸入信號(hào)為X(n)，輸出信號(hào)為Y(n)，則輸入序列和輸出序列之間的關(guān)系可用差分方程表示為：
式中輸入信號(hào)X(n)可以是語音信號(hào)經(jīng)采樣和ADC變換后得到的數(shù)字序列，也可以是計(jì)算機(jī)的輸出信號(hào)；aK和bK均為系數(shù)，通過設(shè)置aK和bK可將DF設(shè)計(jì)成需要的帶通濾波器。
數(shù)字濾波器的軟件設(shè)計(jì)方法有：程序判斷濾波法(限幅濾波法)、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、遞推平均濾波法、防脈沖干擾平均濾波法、一階滯后濾波法等6種方法。根據(jù)需要，本系統(tǒng)選擇程序判斷濾波法。
結(jié)浯
實(shí)踐證明，本系統(tǒng)在進(jìn)行語音變速的同時(shí)，能夠保證原說話者語調(diào)保持不變，且操作簡單，系統(tǒng)延時(shí)小。
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