基于TMS320C5402的語音信號壓縮存儲系統(tǒng)設(shè)計

時間：2010-08-15 20:27:28

關(guān)鍵字： TMS320C5402 系統(tǒng)設(shè)計語音信號信號壓縮

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[導(dǎo)讀]根據(jù)TMS320C5402的特點，提出了采用G.711語音編解碼算法設(shè)計的語音壓縮系統(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)計方法。該系統(tǒng)具有很高的實時性和實用性。

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、計算機文件和其他數(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TLC320AD50C與TMS320C5402的接口設(shè)計，以實現(xiàn)語音信號的壓縮、存儲和回放。
1 語音信號壓縮原理
   μ/A律壓縮解壓編碼是國際電報電話協(xié)會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律壓擴的數(shù)學(xué)解析式為：

   式中：y為輸出信號；x為輸入信號；A為壓縮系數(shù)。
   由上式得知，小信號時為線性特性，大信號時近似為對數(shù)特性。這種壓擴特性常把壓縮、量化和編碼合為一體。A律可用13段折線逼近(相當于A=87.6)，便于用數(shù)字電路實現(xiàn)[1]。13段折線的壓縮特性如圖1所示。圖1分段為x取正值時的情況，而x取負值時，壓擴特性與x取正值成奇對稱，在正8段和負8段中，正1、2段和負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。

在進行A律壓縮時，采樣后的12 bit數(shù)據(jù)，默認其最高位為符號位，壓縮時要保持最高位即符號位不變，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
本系統(tǒng)實現(xiàn)的是G.711標準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、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
模擬信號輸入電路如圖2所示。語音信號放大器經(jīng)過前端放大器TLC2272ACD放大、帶通濾波、單輸入信號轉(zhuǎn)換為差分信號后，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轉(zhuǎn)換為以二進制補碼表示的數(shù)字信號。

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

[!--empirenews.page--]2.2 數(shù)字接口的設(shè)計
TLC320AD50C支持與TMS320C5402無縫對接，接口電路如圖4所示。將TLC320AD50C設(shè)置成主動工作模式，輸入主時鐘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、移位時鐘信號均由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
系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示，軟件設(shè)計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，再對串口0的寄存器進行編程，使DSP串口工作在以下狀態(tài)：以SPI模式運行，每幀一相，每相一個字，每字16 bit，幀同步脈沖低電平有效，并且?guī)叫盘柡鸵莆粫r鐘信號由外部產(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，說明下一個要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字屬于次通信。第二個數(shù)據(jù)用來對AD50C的4個控制寄存器的某一個進行配置。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4個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，采樣頻率為8 kHz，模擬信號輸入和輸出放大增益均為0 dB[4]。4個寄存器初始化需要4個主通信和次通信。
      (3)壓擴算法的實現(xiàn)。TMS320C5402內(nèi)部的緩沖串口（McBSPs）帶有硬件實現(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算得到8 bit A律編碼，其中最高位為符號位，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)果存儲到系統(tǒng)RAM中進行緩存，根據(jù)抽樣率、語音存儲時間以及系統(tǒng)RAM的容量設(shè)置語音存儲緩沖區(qū)的大小，待緩沖區(qū)存滿后，將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行解壓縮，然后輸出到SPEAKER接口輸出。
4 系統(tǒng)實驗結(jié)果
   硬件調(diào)試成功后，使錄音時間達到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波形，圖7為壓縮后的語音信號波形；通過回放，試聽解壓后語音信號無明顯失真。實驗結(jié)果說明系統(tǒng)成功實現(xiàn)了語音信號的壓縮存儲。

本文所介紹的MS320C5402與TLC320AD50C的組成語音壓縮存儲系統(tǒng)，接口電路簡單，編程方便，且程序代碼已在CCS3.1開發(fā)環(huán)境上得到驗證。
參考文獻
[1] 宋依青，何松.一種基于DSP語音信號線性與非線性量化相互轉(zhuǎn)換的新方法[J].微電子學(xué)與計算機，2008(11)：36-39.
[2] 徐速.基于DSP的實時語音壓縮[J].微計算機信息，2007(2)：61-64.
[3] 李利.DSP原理及應(yīng)用實用技[M].北京：中國水利水電出版社，2004：200-210.
[4] TLC320ADC/TLC320AD52C Data Manual. Texas Instruments，2002.