基于C64xDSP的语音处理系统研究与设计 （毕业设计50页21460字）
摘要：语音压缩的实质就是在保证语音质量的情况下，降低数字化语音的数码率，从而减少数字化语音信号所占用的带宽。ITU-T G.726语音编解码算法是波形编码中非常有效的一种数字编码方式。
数字信号处理器(DSP)芯片以其强大的运算能力在通信、电子、图像处理等各个领域得到了广泛的应用。本论文在深入研究音频编码标准G.726软件编码原理和G.726算法C语言实现的基础上，设计了一个基于TI公司TMS320C6416 DSP芯片的G.726算法实时实现系统。系统软件基于DSP/BIOS设计，利用CCS的优化组件，系统优化了G.726算法。在硬件开发平台TMS320C6416 DSK(初学者开发套件)上经过仿真，系统能实时的采集语音数据、编码、解码、实时回放。经过较长时间的监测运行，G.726语音编解码系统能稳定工作，实时采集和回放语音。

关键词：语音编解码；数字信号处理器；仿真

Research and Design of Speech Processing System
Based on C64xDSP

Abstract：The essence of speech compression is to reduce the rate of digital voice in the case of assuring the quality of voice, therefore reducing the bandwidth occupied by speech signal.The ITU-T G.726 speech codec algorithm is a very effective way of digital encoding in waveform encoding.
Digital signal processor(DSP)chip with the powerful computational capabilities in communications, electronics, image processing, and other fields have been widely applied. This dissertation on the basis of deeply studying the software coding theory of G.726 audio encoding standard and the implementation of G.726 C language algorithm, designs a real-time implementation system of G.726 standard based on TMS320C6416 DSP of TI corporation.The software of the system is designed basing on DSP/BIOS, using the components of CCS optimization, completely optimized G.726 algorithm. This system can realize real-time acquisition of voice data, encoding and decoding, real-time playback after emulating on hardware development platform TMS320C6416 DSK(DSP start’s kit). After a long time monitored operation, G.726 speech codec system can perform stable work, real-time data acquisition, and playback of voice.

Key words: speech codec,  digital signal processor, emulation

目    录

第1章 绪论 1
1.1课题概述 1
1.2语音压缩编码技术的现状和发展 1
1.3数字信号处理技术的发展 2
1.4论文内容安排 3
第2章 语音编解码处理 4
2.1 数字音频编码标准 4
2.2衡量语音编码性能的主要标准 5
2.3 G.726语音编解码算法 6
2.3.1 ADPCM编解码算法原理 6
2.3.2对数PCM与线性PCM的对应转换关系 7
第3章 DSP/BIOS实时操作系统 9
3.1 DSP/BIOS组成 9
3.2 任务调度 10
3.2.1 线程概述和线程类型 11
3.2.2 其他函数 12
3.2.3 线程优先级 12
第4章G.726语音编解码算法实现 13
4.1 系统硬件结构 13
4.1.1 AIC23 14
4.1.2 TMS320C6416 DSP芯片 15
4.2 TMS320C6416 DSK硬件平台 19
4.2.1 TMS320C6416 DSK的主要特征 20
4.2.2 TMS320C6416 DSK的功能概述 21
4.3 CCS概述 22
4.3.1 集成工具及配置界面 22
4.3.2 CCS项目 22
4.3.3 CCS项目的构建(Build) 23
4.4 G.726在PC上的实现 23
4.4.1 主程序算法概述 23
4.4.2 子程序算法 23
4.4.3 调试过程与结果 24
4.5 G.726的实时实现 29
4.5.1 系统概述 29
4.5.2系统函数说明 30
4.5.3 DSP/BIOS 32
4.5.4 数据流通过程 34
4.5.5 CCS上的G.726算法实现 34
第5章 系统联调 36
5.1 软件仿真与硬件仿真 36
5.2 PC与CCS的同步调试 37
5.2.1 格式转换算法描述 37
5.2.2 调试过程 37
5.2.3 调试指标及结果 38
5.3系统调试结论分析 38
5.4 Matlab上的语音处理 39
结  论 42
致  谢 42
参考文献 44
附  录 45
   
第1章  绪  论

1.1  课题概述
随着因特网和多媒体技术的迅猛发展，对音频数据压缩的研究和应用也正蓬勃发展起来，人们都在积极的研究和开发具有高效压缩比以及高质量声音还原的编、解码算法，A律、μ律编码就是简单的准瞬时压扩技术，并在综合业务数字网络(ISDN：Integrated Service Data Network)话音传输中得到应用。对语音信号的研究发展较早，也较为成熟，并己得到广泛应用，如自适应差分脉冲编码 (Adapted Difference Pulse Coding Modulation 即ADPCM)、线性预测编码(Linear Predicted Coding即LPC)等技术。在广播领域， 准瞬时压扩音频复用(Near Instantaneous Companded Audio Multiplex即NICAM )等系统中都使用了音频压缩技术。
数字音频是对模拟声音信号每秒上千次的采样，然后把每个样值按一定的比特数量化，最后得到标准的数字音频的码流。数字音频压缩技术指的是对原始数字音频信号流运用适当的数字信号处理技术，在不损失有用信息量，或所引入损失可忽略的条件下，降低其码率，也称为压缩编码，它必须具有相应的逆变换，称为解压缩或解码。
语音处理是一个多媒体系统的一个重要方面，只有视频图像而没有声音不能称为一个多媒体系统。IT(Information Technology)领域的科技成果普遍的应用于视音频领域大大地推动了视音频科技的进步，其中DSP(Digital Signal Processor即数字信号处理器)在音频领域内的应用就是一个很好的例子。传统的模拟视音频产品如今逐渐退出，采用数字化技术及其相应产品己呈不可抵挡的趋势。数字化的视音频产品必将涉及模拟信号转换成数字信号后加以传输的问题，而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时的数字信号处理。而市面上的微处理器有成百上千种，各有其特色及对应的应用场合，DSP以其特有的优势更加适合于完成上述任务。
1.2  语音压缩编码技术的现状和发展
在数字化大潮的冲击下，传统的电子行业正在发生革命性的变化。采用数字技术具有许多优越性，但也使数据量大增，如果不进行数据压缩，则无论传输或存储都很难实用化。语音编码技术的研究开始于30年代Duddley发明声码器，但是直到最近20年，随着计算机的发展为语音编码技术的研究提供了强有力的工具，超大规模集成电路的出现为语音编码的实现提供了基础，语音编码技术领域才发生了一个大的飞跃。语音压缩编码是利用语音信号数字处理，以有限的比特来表示语音信息，达到语音压缩的目的。大体上可分为三类：波形编码、参数编码和混合编码。
1、波形编码
语音信号的波形编码力图使重建语音波形保持原语音信号的波形形状，也即失真要最小。这类编码器通常将语音信号作为一般的波形信号来处理，它具有适应能力强、话音质量好等优点，但所需的编码速率高。波形编码比较简单，编码前用采样定理对模拟语音信号进行量化，然后进行幅度量化，再进行二进制编码。解码器作数/模变换后再由低通滤波器恢复出原始的模拟语音波形，这就是最简单的脉冲编码调制(Pulse Coding Modulation即PCM)，也称为线性PCM。自适应差分编码、自适应变换编码(Adapted Transform Coding即ATC)等都属于这类编码器。波形编码的方法简单，数码率较高，在64Kbit/s至32Kbit/s之间音质优良，当数码率低于32Kbit/s的时候音质明显降低。
2、参数编码
参数编码又称为声码化编码、模型编码，它通过对语音信号特征参数的提取及编码，力图使重建语音信号具有尽可能高的可懂性，即保持原始语音的语意，而重建语音信号的波形和原始语音信号的波形可能会有相当大的差别。这类编码器编码后的码率可以做得很低，如1.2Kbit/s，2.4Kbit/s，但是合成语音质量较差、复杂度比较高、对环境要求较高。
3、混合编码
混合编码算法结合了上述两种方法的优点，既有波形逼近的环节，又充分利用语音产生模型和人类听觉系统的特性，因此可以在中等速率(4-16Kbit/s)下提供高质量的输出语音。典型的编码算法有：矢量和激励线性预测(Vector Sum Excited Linear Prediction即VSELP)、多脉冲线性预测编码(Multi-Pulse Linear Predicted Coding即MPLPC)、规则脉冲激励线性预测编码(Regular Pulse Excited Linear Predicted Coding 即RPELPC)和码激励线性预测(Code Excited Linear Prediction即CELP)声码器等[1]。
上述三种语音编码，波形编码原理简单，压缩倍数低，语音质量好；参数编码原理复杂，压缩倍数高，语音质量相对较差；混合编码压缩倍数中等，语音质量较好。
1.3  数字信号处理技术的发展
数字信号处理是信息技术中的一个核心问题。实现数字信号处理的核心器件是数字信号处理器，它不同于通用微处理器。通用微处理器普遍采用冯•诺依曼结构，数据和程序共用一个存储空间，很多功能采用微码实现。DSP采用哈佛结构或改进的哈佛结构，数据空间和程序空间分开，这大大提高了指令执行速度；DSP包含有专用的硬件乘法器和加法器，在一个时钟周期内可以完成相乘、累加两个运算，这些特性使它们特别适合于高速、重复性、数值运算密集的实时处理的领域。
TI公司是DSP领域的领导者，我们经常使用的TI公司的DSP产品包含三个系列：C2000，C5000，C6000。其中C2000是一个控制器系列，全部为16位定点DSP，适合于控制领域；C5000是一个定点低功耗系列，适合手持通讯产品领域；C6000是32位的高性能DSP芯片，适合于图像、多媒体数据处理。
数字信号处理技术的发展使得采用数字化方法实时地处理语音信号成为可能。传统的模拟方法处理语音信号，硬件设备昂贵，不能升级、产品生命周期短。采用数字技术处理语音信号具有抗干扰性强、便于传输和处理等优点，代表着语音处理技术的发展方向。DSP芯片高速、可编程的特点使其非常适用于语音信号处理领域，基于DSP的语音处理系统是未来语音处理系统的主流，具有良好的应用和市场前景[2]。
1.4  论文内容安排
本文各章内容安排如下：
第一章：首先是课题概述，提出课题的研究背景、主要研究内容、目的及意义，然后介绍了音频压缩技术的发展和现状，重点是语音压缩编码的三种分类，第三节阐述数字信号处理技术的发展。
第二章：首先大概介绍各个语音编解码标准，具体讲解它们的性能特征；第二小节主要内容是衡量语音编码性能的主要因素，主要是客观方法和主观方法，编码速率和编解码算法的复杂程度也是衡量其性能的重要因素。在本章的最后一节，重点阐述本课题用到的G.726的编解码算法的原理和特点。
第三章：这一章讲述DSP/BIOS的工作原理，DSP/BIOS实时内核能更快地开发和部署复杂的应用，并且用户不必开发和维护自定义的操作系统或控制环路，主要祥述了它的组成和工作过程。
第四章：本章重点讲述G.726的算法实现，第一节描述系统的硬件结构并对重要的模块进行了介绍；第二节讲述初学者开发套件TMS320C6416 DSK硬件平台；第三节描述了集成开发环境CCS，最后两节讲述G.726的C语言实现和实时实现。
第五章：系统调试过程、指标和结果的描述，并对结果进行分析。