基于TMS320C50的通用語音信號(hào)處理系統(tǒng)

摘要：介紹了一個(gè)完整的基于PC機(jī)和DSP（TMS320C50）的通用語音信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過編程設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)不同的語音信號(hào)分析和處理算法,能針對(duì)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(gè)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(hào)處理 TMS320C50芯片

語言是人類相互溝通信息的重要工個(gè)。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(hào)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,各種以語言信號(hào)數(shù)字處理為特點(diǎn)的商品已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng),商品化的語音信號(hào)處理機(jī)也已問世,如KAY公司的CSL TM（Computerized Speech Lab）。

一個(gè)完備的語音信號(hào)處理系統(tǒng)不但要具備語音信號(hào)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(hào)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(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)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(shí),針對(duì)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(hào)處理核心設(shè)計(jì)了該系統(tǒng),其硬件配置框圖見圖1。其中,TMS320C50是美國(guó)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(chǔ)器、在片外圍接口以及一套高效的泄編指令集,計(jì)算速度可達(dá)40Mips,且性能價(jià)格比好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件置如圖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CP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(duì)話界面,以控制完成系統(tǒng)各項(xiàng)功能。

1.2 PREPROC部件

整個(gè)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(gè)系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)和四個(gè)模塊部件組成。這四個(gè)模塊部件分別為輸入信號(hào)放大部件（PREPROC）、功率放大部件（POSPROC）、高速數(shù)字信號(hào)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(hào)處理任務(wù),并控制AD/DA部件完成語音信號(hào)的采集和回放;PREPROC部件完成對(duì)輸入語音信號(hào)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(duì)話筒輸入信號(hào)或線咱輸入信號(hào)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(jì)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(hào)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(jì)在后面說明。

1.3 POSPROC部件

該部件對(duì)D/A送出的模擬信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)濾波和功率放大,其輸出供給場(chǎng)聲器?？奢敵鲎畲蠊β蕿?W,用來推動(dòng)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(jì)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(gè)八階切比雪夫低通濾波器串聯(lián)構(gòu)成。由器件手冊(cè)可知,MAX274由四個(gè)同樣的濾波單元組成,每個(gè)濾波單元就是一個(gè)二階濾濾器。為了方便起見,將四個(gè)濾波單元依次編號(hào)A、B、C、D。由《有源濾波器精確設(shè)計(jì)》可查得通帶起伏為0.2dB的八階切比雪夫低通濾波順的歸一化參數(shù)B和C,然后,由MAX274器件手冊(cè)可知：對(duì)于每一個(gè)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(jì)算出各個(gè)電阻值。實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)樽柚递^特殊,每個(gè)電阻值須由兩個(gè)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(zhǎng)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(hào)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(shí),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(shí)器Timer來設(shè)置AD/DA部件的采樣頻率。單個(gè)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(shí)器Timer,使之產(chǎn)生中斷INT1;回放時(shí),主機(jī)將數(shù)據(jù)寫入FIFO,C50定時(shí)響應(yīng)中斷INT1,從FIFO讀取數(shù)據(jù)并將它送到DA輸出;信號(hào)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(duì)于PC

·雙端口RAM的地址范圍是D800H(段地址)：000H～0FFFH（偏移地址）。

·命令口CMD的地址為300H,命令字設(shè)計(jì)如下：

    BIT0：復(fù)位FIFO：BIT1、BIT7：暫時(shí)未用;BIT2：復(fù)位TMS320C50;BIT3：PC與C50的握手信號(hào)：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(jì)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(hào);BIT4～6暫時(shí)未用。

·FIFO1的寫地址為302H,讀地址為303H。

對(duì)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(shí)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(jí)鎖存,第一級(jí)鎖存地址為PA11,第二級(jí)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(zhǎng)板,其最高采樣頻率達(dá)100kHz,它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(hào)處理系統(tǒng)以實(shí)時(shí)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(gè)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(hào)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(duì)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(duì)各部件獨(dú)立進(jìn)行電性能測(cè)試,全部達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求后,對(duì)整個(gè)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(cè)試,結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。目前,該系統(tǒng)已被成功地運(yùn)行于“話者自動(dòng)識(shí)別”的實(shí)驗(yàn),利用它可完成語音信號(hào)的LPC分析,不同點(diǎn)數(shù)的FFT分析,實(shí)時(shí)頻譜分析等。