《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于TMS320C5402的語音信號(hào)壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第6期
楊明遠(yuǎn),何 穎
湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 長沙410205
摘要: 根據(jù)TMS320C5402的特點(diǎn),提出了采用G.711語音編解碼算法設(shè)計(jì)的語音壓縮系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程及A/D、D/A模塊與TMS320C5402接口電路的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。
中圖分類號(hào): TN912.3
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
Design of speech compression and storage system based on TMS320C5402
YANG Ming Yuan,HE Ying
Hunan Vocational College of Commerce, Changsha 410205,China
Abstract: According to the architecture of TMS320C5402,a speech compression system using G.711 codec algorithm is designed.The hardware structure and flow chart of this system are given,and the method of interface designing based on TMS320C5402 with ADC and DAC are also presented.This system has the qualities of real time and practicability.
Key words : speech compression;TMS320C5402;TLC320AD50C;master-slave mode

    近年來,隨著多媒體信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展,數(shù)字語音壓縮技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛,尤其在可視電話、IP網(wǎng)絡(luò)電話、數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、公共交換電話網(wǎng)和話音存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域中,需要在保證語音一定質(zhì)量的前提下盡可能降低其編碼比特率,便于在有限的傳輸帶寬內(nèi)讓出更多的信道用于傳送圖像、文檔、計(jì)算機(jī)文件和其他數(shù)據(jù)流。本文研究A律壓縮算法的應(yīng)用,給出音頻接口芯片TLC320AD50CTMS320C5402的接口設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的壓縮、存儲(chǔ)和回放。
1 語音信號(hào)壓縮原理
    μ/A律壓縮解壓編碼是國際電報(bào)電話協(xié)會(huì)CCITT(Consultative Committee for International Telegraph and Telephone)最早推出的G.711語音壓縮解壓編碼。其中歐洲和中國等國家采用A律壓縮解壓編碼,美國和日本等國家采用μ律壓縮解壓編碼。由于本系統(tǒng)采用A律壓縮解壓算法,這里只介紹A律壓縮原理。
    A律壓擴(kuò)的數(shù)學(xué)解析式為:
  
    式中:y為輸出信號(hào);x為輸入信號(hào);A為壓縮系數(shù)。
    由上式得知,小信號(hào)時(shí)為線性特性,大信號(hào)時(shí)近似為對(duì)數(shù)特性。這種壓擴(kuò)特性常把壓縮、量化和編碼合為一體。A律可用13段折線逼近(相當(dāng)于A=87.6),便于用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)[1]。13段折線的壓縮特性如圖1所示。圖1分段為x取正值時(shí)的情況,而x取負(fù)值時(shí),壓擴(kuò)特性與x取正值成奇對(duì)稱,在正8段和負(fù)8段中,正1、2段和負(fù)1、2段斜率相同,合為一段,所以原來的16段折線變?yōu)?3段折線。

    在進(jìn)行A律壓縮時(shí),采樣后的12 bit數(shù)據(jù),默認(rèn)其最高位為符號(hào)位,壓縮時(shí)要保持最高位即符號(hào)位不變,原數(shù)據(jù)的后11 bit要壓縮成7 bit。這7 bit碼由3 bit段落碼和4 bit段內(nèi)碼組成。壓縮變換后的數(shù)據(jù)根據(jù)后11 bit數(shù)據(jù)大小決定。具體的編碼表如表1所示。

2 系統(tǒng)硬件接口設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是G.711標(biāo)準(zhǔn)A律壓縮編碼的語音處理過程。系統(tǒng)以TMS320C5402為核心,完成語音壓縮、存儲(chǔ)、解壓功能。語音采集與輸出模塊采用TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片TLC320AD50C,內(nèi)置輸入和輸出放大器,且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。
2.1 模擬接口設(shè)計(jì)
    模擬信號(hào)輸入電路如圖2所示。語音信號(hào)放大器經(jīng)過前端放大器TLC2272ACD放大、帶通濾波、單輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后,送入AD50C的A/D轉(zhuǎn)換器的差分輸入端(INP和INM)。A/D轉(zhuǎn)換器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為以二進(jìn)制補(bǔ)碼表示的數(shù)字信號(hào)。

    模擬信號(hào)輸出電路如圖3所示。經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、內(nèi)部低通濾波恢復(fù)的模擬信號(hào)從AD50C的OUTP管腳輸出。外部放大濾波電路選用LM356運(yùn)算放大器,放大后的信號(hào)送揚(yáng)聲器還原成聲音。

2.2 數(shù)字接口的設(shè)計(jì)
    TLC320AD50C支持與TMS320C5402無縫對(duì)接,接口電路如圖4所示。將TLC320AD50C設(shè)置成主動(dòng)工作模式,輸入主時(shí)鐘MCLK為8.192 MHz,采樣頻率選擇為8 kHz,內(nèi)部PLL使能(控制寄存器4中的N=8)[2]。通過寄存器設(shè)置,將TMS320C5402的FSX、FSR、CLKR、CLKX配置為外部輸人,TLC320AD50C的SCLK配置為內(nèi)部產(chǎn)生。數(shù)據(jù)接收/發(fā)送幀同步信號(hào)、移位時(shí)鐘信號(hào)均由TLC320AD50C產(chǎn)生,串行口的接收/發(fā)送過程受TLC320AD50C的控制。

3 系統(tǒng)軟件接口設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示,軟件設(shè)計(jì)工作主要包括以下幾方面:

    (1)TMS320VC5402串口的初始化。首先將DSP串口0復(fù)位,再對(duì)串口0的寄存器進(jìn)行編程,使DSP串口工作在以下狀態(tài):以SPI模式運(yùn)行,每幀一相,每相一個(gè)字,每字16 bit,幀同步脈沖低電平有效,并且?guī)叫盘?hào)和移位時(shí)鐘信號(hào)由外部產(chǎn)生[3]。
    (2)AD50C初始化。該初始化操作過程包括通過TMS320C5402的同步串口發(fā)送2串16 bit數(shù)字信息到AD50C。第一串為0000 0000 0000 0001B,最低有效位(bits0)為1,說明下一個(gè)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字屬于次通信。第二個(gè)數(shù)據(jù)用來對(duì)AD50C的4個(gè)控制寄存器的某一個(gè)進(jìn)行配置。15~11位為0,10~8位為所選寄存器地址值,7~0位為所選中寄存器的編程值。通過對(duì)4個(gè)可編程控制寄存器編程,使AD50C工作在以下狀態(tài):選擇INP/INM為工作模擬輸入,15+1 bit ADC和15+1 bit DAC模式,不帶從機(jī),采樣頻率為8 kHz,模擬信號(hào)輸入和輸出放大增益均為0 dB[4]。4個(gè)寄存器初始化需要4個(gè)主通信和次通信。
      (3)壓擴(kuò)算法的實(shí)現(xiàn)。TMS320C5402內(nèi)部的緩沖串口(McBSPs)帶有硬件實(shí)現(xiàn)的μ律和A律壓縮解壓,用戶只需要在相應(yīng)寄存器中進(jìn)行設(shè)置就可以了,本系統(tǒng)通過軟件編程來完成線性碼轉(zhuǎn)換成A律。在主程序中通過A/D抽樣量化得到線性編碼,再由編碼表通過軟件計(jì)算得到8 bit A律編碼,其中最高位為符號(hào)位,第6 bit到第4 bit為段落碼,低4 bit為段內(nèi)碼。將8 bit的壓縮結(jié)果存儲(chǔ)到系統(tǒng)RAM中進(jìn)行緩存,根據(jù)抽樣率、語音存儲(chǔ)時(shí)間以及系統(tǒng)RAM的容量設(shè)置語音存儲(chǔ)緩沖區(qū)的大小,待緩沖區(qū)存滿后,將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮,然后輸出到SPEAKER接口輸出。
4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    硬件調(diào)試成功后,使錄音時(shí)間達(dá)到5 s左右。通過CCS觀察數(shù)據(jù)圖形,圖6為壓縮前的語音信號(hào)波形,圖7為壓縮后的語音信號(hào)波形;通過回放,試聽解壓后語音信號(hào)無明顯失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的壓縮存儲(chǔ)。

    本文所介紹的MS320C5402與TLC320AD50C的組成語音壓縮存儲(chǔ)系統(tǒng),接口電路簡(jiǎn)單,編程方便,且程序代碼已在CCS3.1開發(fā)環(huán)境上得到驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
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