語音壓縮存儲及回放實驗報告

1、DSP課程設計實 驗 報 告 語音壓縮、存儲和回放目 錄一、設計任務書封面1二、設計內容與要求3三、設計算法原理說明4四、程序設計、調試與結果分析7CMD程序，C語言程序7調試過程15波形與數(shù)據(jù)顯示16五、設計（安裝）與調試的體會17 六、參考文獻18語音的壓縮、存儲與回放一、 設計要求與目標（1）使用DSP實現(xiàn)語音壓縮和解壓縮的基本算法，算法類型自定，例如可以采用G.711、G.729等語音壓縮算法。（2）采用A/D轉換器從MIC輸入口實時采集語音信號，進行壓縮后存儲到DSP的片內和片外RAM存儲器中，存儲時間不小于10秒。（3）存儲器存滿之后，使用DSP進行實時解壓縮，并從SPEAKER輸

2、出口進行回放輸出。（4）使用指示燈對語音存儲和回放過程進行指示。發(fā)揮部分：使用多種算法進行語音的壓縮、存儲和解壓縮，比較它們之間的優(yōu)缺點。二、 實驗目的1、通過本實驗掌握5402DSP片上外設多通道緩沖串行口mcbsp。2、學習掌握tlc320ad50CODEC編譯碼器的內部結構、工作原理。3、學習A律語音壓縮以及C語言下的編程方法。三、實驗原理 1語音采集與輸出模塊語音采集與輸出模塊采用的是TI公司推出的一款高性能的立體聲音頻Codec芯片TLC320AD50C，內置耳機輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式（二選一），且對輸入和輸出都具有可編程增益調節(jié)。AD50的模數(shù)轉換（AD

3、Cs）和數(shù)模轉換（DACs）部件高度集成在芯片內部，采用了先進的Sigmadelta過采樣技術，可以在8K到96K的頻率范圍內提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣，ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達到90dB和100dB。與此同時，AD50還具有很低的能耗，回放模式下功率僅為23mW，省電模式下更是小于15uW。由于具有上述優(yōu)點，使得AD50是一款非常理想的音頻模擬I/O器件，可以很好的應用在隨聲聽（如CD，MP3）、錄音機等數(shù)字音頻領域2。由TLC320AD50C組成的語音輸入與輸出模塊不僅采樣率高最高可達96K，且外圍電路簡單，性價比高。2語音編碼（1）概念： 語音編

4、碼一般分為兩類：一類是波形編碼，一類是被稱為“聲碼器技術”的編碼。 PCM編碼即脈沖編碼調制。 波形編碼的最簡單形式就是脈沖編碼調制（Pulse code modulation），這種方式將語音變換成與其幅度成正比的二進制序列，而二進制數(shù)值往往采用脈沖表示，并用脈沖對采樣幅 度進行編碼，所以叫做脈沖編碼調制。 脈沖編碼調制沒有考慮語音的性質，所以信號沒有得到壓縮。 （2）量化： 脈沖編碼調制用同等的量化級數(shù)進行量化，即采用均勻量化，而均勻量化是基本的量化方 式。但是均勻量化有缺點，在信號動態(tài)范圍較大而方差較小的時候，其信噪比會下降 。 國際上有兩種非均勻量化的方法：A律和u律，u律是最常用的一

5、種。在美國，7位u律是長途電話質量的標準。 而我國采用的是A律壓縮，而且有標準的A律PCM編碼芯片。 （3）DPCM&ADPCM： 降低傳輸比特率的方法之一是減少編碼的信息量，這要消除語音信號中的冗余度。相鄰的語音樣本之間存在明顯的相關性，因此對相鄰樣本間的差信號進行編碼，便可使信息量得到壓縮。因為差分信號比原語音信號的動態(tài)范圍和平均能量都小。這種編碼叫Differential PCM,簡稱DPCM，即差分脈沖編碼調制。 ADPCM即自適應差分脈沖編碼調制，是包括短時預測的編碼系統(tǒng)。CCITT（國際電報電話咨詢委員會）在1984年提出的32 kbit/s的編碼器建議就是采用ADPCM作為長途傳

6、輸中的國際通用語音編碼方案。這種ADPCM編碼方案達到64 kbit/s PCM的語音傳輸質量，并具有很好的抗誤碼性能。 （4）a律壓縮a律壓縮示意圖A律壓縮編碼表A律壓縮編碼表線性輸入編碼壓縮編碼0000000wxyza000wxyz0000001wxyza001wxyz000001wxyzab010wxyz00001wxyzabc011wxyz0001wxyzabcd100wxyz001wxyzabcde101wxyz01wxyzabcdef110wxyz1wxyzabcdefg111wxyz采用DSP可以直接對PCM編碼后的語音信號進行律和A律壓縮。圖1是DSP硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮解壓的簡單

7、流程，DSP將傳輸來的壓縮后的數(shù)據(jù)進行解壓成16位或者32位，然后對解壓后的數(shù)據(jù)進行分析、處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)按照要求壓縮成8位的數(shù)據(jù)格式輸出到相應設備，供其他設備讀取。圖1 數(shù)據(jù)壓縮解壓流程圖2是DSP將數(shù)據(jù)解壓的值，DSP將壓縮的8位數(shù)據(jù)解壓成16位的DSP通用數(shù)據(jù)格式，其中高13位為解壓后的數(shù)據(jù)，低3位補0。這是因為6711的A律壓縮只能對13位數(shù)據(jù)操作。DSP將解壓后的數(shù)據(jù)放在緩沖串口的發(fā)送寄存器中，只要運行發(fā)送指令，緩沖串口就會將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。緩沖串口對接收數(shù)據(jù)的解壓過程和壓縮過程完全相反。圖3是律數(shù)據(jù)解壓的示意圖。圖2 A律數(shù)據(jù)解壓圖3 律數(shù)據(jù)解壓DSP內部的緩沖串口（McBS

8、Ps）帶有硬件實現(xiàn)的律A律壓縮解壓，用戶只需要在相應寄存器中進行設置就可以了。在進行A律壓縮時，采樣后的12位數(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位要壓縮成7位。這7位碼由3位段落碼和4位段內碼組成。具體的壓縮變換后的數(shù)據(jù)根據(jù)后11位數(shù)據(jù)大小決定。表2 A律數(shù)據(jù)壓縮表除對串行口數(shù)據(jù)實現(xiàn)壓擴處理外，這套硬件在McBSP不使用時還可以當作一個特殊的處理單元對內部數(shù)據(jù)實現(xiàn)壓擴處理，他有兩種實現(xiàn)方法。法一：當串行口的發(fā)送和接受部分都處于復位狀態(tài)時，DRR1和DXR1內部通過壓擴邏輯連接在一起，數(shù)據(jù)從DXR1寫入并根據(jù)XCOMPAND處理，然后根據(jù)RCOMPAND再

9、處理，在4個CPU時鐘后從DRR1中讀出數(shù)據(jù)。該處理比軟件實現(xiàn)快，不利之處在于處理完后沒有同步信息通知CPU和DMA。法二：在數(shù)據(jù)環(huán)回模式下，McBSP也實現(xiàn)了一種內連。數(shù)據(jù)處理與第一種方法相同，但它可以提供中斷信號（或同步事件）給CPU（或DMA）。這里數(shù)據(jù)處理的時間是根據(jù)串行口的比特律確定的。另外，在通常情況下McBSP先傳輸信號的高位后傳輸?shù)臀唬窃谧珠L為8比特的數(shù)據(jù)傳輸時，McBSP提供了比特倒序的功能，即可以先傳輸?shù)臀缓髠鬏敻呶?。在本實驗中，我們通過軟件編程來完成線性碼轉換成A律。語音信號通常是小信號概率大，大信號出現(xiàn)的概率小，為提高小信號時的量化信躁比，壓縮比特速率，可為非線性量

10、化。語音壓縮是把16位的數(shù)據(jù)比特轉化為8位數(shù)據(jù)比特，從而到達語音壓縮的目的。在主程序中通過A/D抽樣量化，可以得到16位的線性編碼，再由編碼表通過軟件計算得到8位A律編碼，其中最高位為符號位，第6位到第4位為段落碼，低4位為段內碼。將8位的壓縮結果存儲到系統(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)內的數(shù)據(jù)進行解壓縮，然后輸出到SPEAKER接口輸出端。若使用A/D轉換器，必須首先對A/D轉換器進行初始化設置，即設置A/D轉換器的工作模式、輸入增益以及抽樣頻率等。 3程序設計（1）、程序流程開始初始化DSP及串行口初始化A/

11、D轉換器D/A轉換器語音經(jīng)A/D轉換器輸入數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)存儲解壓縮經(jīng)D/A轉換器回放結束存儲器的分配（5402.cmd）MEMORY PAGE 0: VECS: origin = 0080h, length = 0080h /* Internal Program RAM */ PRAM: origin = 7600h, length = 8000h /* Internal Program RAM */ PAGE 1: SCRATCH: origin = 0060h, length = 0020h /* Scratch Pad Data RAM */ DMARAM: origin = 0C00h,

12、 length = 0300h /* DMA buffer */ DATA: origin = 1100h, length = 0080h /* Internal Data RAM */ STACK: origin = 1180h, length = 0560h /* Stack Memory Space */ INRAM: origin = 1900h, length = 0100h /* Internal Data RAM */ HPRAM0: origin = 1A00h, length = 0002h /* HPI memory accessible by Host and DSP *

13、/ HPRAM1: origin = 1A02h, length = 0280h /* HPI memory accessible by Host and DSP */ HPRAM2: origin = 1C82h, length = 0280h /* HPI memory accessible by Host and DSP */ EXRAM: origin = 1F10h, length = 9000h /* External Data RAM */SECTIONS .cinit PRAM PAGE 0 .text PRAM PAGE 0 .vectors VECS PAGE 0 init

14、_var PRAM PAGE 0 detect PRAM PAGE 0 vrcprg PRAM PAGE 0 matprg PRAM PAGE 0 .stack STACK PAGE 1 .trap SCRATCH PAGE 1 .const EXRAM PAGE 1 .data EXRAM PAGE 1 .bss EXRAM PAGE 1 .cio EXRAM PAGE 1 .switch EXRAM PAGE 1 tables EXRAM PAGE 1 var EXRAM PAGE 1 svctab EXRAM PAGE 1 /* SS_V LSP table */ vctab EXRAM

15、 PAGE 1 /* V LSP table */ uvctab EXRAM PAGE 1 /* UV LSP table */ cuvtab EXRAM PAGE 1 /* Stochastic codebook */ cdbktab EXRAM PAGE 1 /* various codebook tables*/ logtab EXRAM PAGE 1 /* table for log2 */ powtab EXRAM PAGE 1 /* table for pow2 */ hamtab EXRAM PAGE 1 /* table for hamming */ lgwtab EXRAM

16、PAGE 1 /* table for lag window */ acostab EXRAM PAGE 1 /* table for arccos */ sqrtab EXRAM PAGE 1 /* table for square root */ acbtab EXRAM PAGE 1 /* table for thresholds in acb */ pm03tab EXRAM PAGE 1 /* table for x(-0.3) computation */ costab EXRAM PAGE 1 /* table for cosine */ V23 INRAM PAGE 1 FSK

17、 INRAM PAGE 1 hpibuff0 HPRAM0 PAGE 1 hpibuff1 HPRAM1 PAGE 1 hpibuff2 HPRAM2 PAGE 1 dma_buff DMARAM PAGE 1/*主程序設計*/*語音采集及回放程序*/*用A律進行壓縮及解壓*/*采用AD50進行A/D，D/A轉換 */ /*燈循環(huán)閃爍程序開始*/*L0：錄音*/*L1：放音*/ #include /* 頭文件*/#include #include #include /* 宏定義 */#defineSIGN_BIT(0x80)/* Sign bit for a A-law byte. */#de

18、fineQUANT_MASK(0xf)/* Quantization field mask. */#defineNSEGS(8) /* Number of A-law segments. */#defineSEG_SHIFT(4) /* Left shift for segment number. */#defineSEG_MASK(0x70)/* Segment field mask. */* 函數(shù)聲明 */void delay(s16 period);void led(s16 cnt);void initcodec(void);void flashenable(void);unsigned

19、 char data2alaw(s16 pcm_val);int alaw2data(unsigned chara_val);static int search(int val,short*table,int size);/* 全局變量 */HANDLE hHandset;s16 data;s16 data1;u16 i=0;u16 temp1;u16 j=0;u16 k,l=0;u8 temp2;u16 buffer20000;static short seg_end8=0x1F,0x3F,0x7F,0xFF,0x1FF,0x3FF,0x7FF,0xFFF;/* 主函數(shù) */void mai

20、n() if (brd_init(100) return; led(2); /閃燈兩次 initcodec(); /初始化codec flashenable(); /選擇片外FLASH為片外存儲器 /* delay(100); brd_led_toggle(BRD_LED0); for(i=0x9000;i0xefff;i+) REG_WRITE(i,*(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC); delay(20); brd_led_toggle(BRD_LED1); delay(200); for(i=0x9000;i0xefff;i+) *(volat

21、ile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)=REG_READ(i); delay(20); brd_led_toggle(BRD_LED2); */ while (1) while (!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC) ; /等待接收handset處的采樣 brd_led_toggle(BRD_LED0); data = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC); /從handset處讀取采樣 temp1=data2alaw(data); /對采樣進行a律壓縮 /* 把低地址數(shù)據(jù)放在高八位 高地址數(shù)據(jù)放在低八位

22、*/ i=i+1; if(i%2=1) bufferj=(temp1=40000) i=0; if(j=20000) j=0; brd_led_disable(BRD_LED0); brd_led_toggle(BRD_LED1); /點亮二極管1 表示放音開始 /* 放音部分 */ for(k=0;k8)&0x0ff; else temp2=bufferl&0x0ff; l+; if(l=20000) l=0; data1=alaw2data(temp2); / a律解壓 while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC) ; *(volatile u16*)DXR1_ADD

23、R(HANDSET_CODEC) = data1; /將數(shù)據(jù)寫入D/A轉換器 /* 放音結束 */ brd_led_toggle(BRD_LED0); brd_led_toggle(BRD_LED1); /主程序結束 /* 子函數(shù) */ /*延時*/void delay(s16 period) int i, j; for(i=0; iperiod; i+) for(j=0; j1; j+); /*閃燈*/void led(s16 cnt)while ( cnt- )brd_led_toggle(BRD_LED0); /切換LED指示燈0的顯示狀態(tài)delay(1000);brd_led_togg

24、le(BRD_LED1);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);delay(1000);/*初始化codec*/void initcodec(void) /* Open Handset Codec 獲取設置codec的句柄*/ hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); / Acquire handle to codec /* Set codec parameters */ codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); / DAC in 15-bit mode codec_adc_mod

25、e(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); / ADC in 15-bit mode codec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); / 6dB gain on analog input to ADC codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB); / -6dB gain on analog output from DAC codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); / 8KHz sampling rate /*設置flash*/void flashenable(v

26、oid)CPLD_CTRL2_REG|=0x0010;CPLD_DMCTRL_REG|=0x0040;/*a律壓縮*/unsigned char data2alaw(s16 pcm_val) intmask;intseg;unsigned charaval;if (pcm_val = 0) mask = 0xD5; / 標記 (7th) bit = 1 else mask = 0x55; / 標記 bit = 0 pcm_val = -pcm_val;/ Convert the scaled magnitude to segment number. seg = search(pcm_val,

27、seg_end, 8); / Combine the sign, segment, and quantization bits. if (seg = 8) / out of range, 返回最大數(shù). return (0x7F mask);else aval = seg SEG_SHIFT;if (seg 1) & QUANT_MASK;elseaval |= (pcm_val seg) & QUANT_MASK;return (aval mask);/*alaw的子程序*/static int search(int val,short*table,int size)inti;for (i =

28、 0; i size; i+) if (val = *table+)return (i);return (size);/*a律解壓*/int alaw2data(unsigned chara_val)intt;intseg;a_val = 0x55; t = (a_val & QUANT_MASK) SEG_SHIFT;if(seg=0) t += 8; t=(t3);if(seg0) t +=0x108; t=(t(4-seg);if(seg3)t+=0x108;t=(t=(seg-4);return (a_val & SIGN_BIT) ? t : -t);/* 結束 */四操作過程 1將

29、工程文件夾放入C盤要求目錄下。2. 打開CCS，Project open，打開工程文件。3進行編譯，連接。4根據(jù)錯誤提示，對build option進行正確的設置，修改頭文件路徑。5再編譯，連接，顯示沒有錯誤。6load program-run，此時三盞燈循環(huán)亮，之后程序開始，第一盞燈亮開始錄音，一段時間后第二盞燈亮開始放音，然后又開始錄音。依次循環(huán)。五調試過程與運行結果1.觀察數(shù)據(jù)結果Viewwatch window我們輸入buffer，顯示此數(shù)組的值，如圖D所示。2觀察數(shù)據(jù)圖形ViewGraphTime Frequency可以加入斷點，然后按Animate 動態(tài)顯示。分別觀察語音輸入（存放

30、在變量data中）波形，壓縮后波形（temp1），解壓后輸出波形（data1），圖形分別為A，B，C。3觀察存儲器中數(shù)據(jù)ViewMemory經(jīng)過多次調試，使錄音時間在保持音質的前提下達到5-6秒。A輸入波形(data)B壓縮后波形(temp1)C解壓縮后輸出波形(data1)Dwatch window中的值五實驗總結 經(jīng)歷了這次實驗，我想我們充分認識到了壓力帶給人的巨大動力。確定做語音壓縮，存儲與回放實驗后，查了大量A律，u律壓縮方法的資料，并學習了CCS環(huán)境下的操作、調試與運行。由于之前對DSP很不了解，這方面學習我們去實驗室操作了不少時間，終于熟悉了它的操作步驟與簡單調試方法。然后具體針對語音壓縮回放實驗，我們經(jīng)歷了比較大的挫折。首先借了板子后怎么都不能和計算機連接，換了好幾臺電腦都不行，換了板子后終于可以了，但問題是語音不能錄入，很疑惑，編譯下載都沒問題，最后發(fā)現(xiàn)是耳機的問題。終于能錄入后，我們很激動，接下來就是觀察波形與數(shù)據(jù)了。分別看了輸入與經(jīng)壓縮后波形，發(fā)現(xiàn)沒什么區(qū)別，而且有連續(xù)整段波形全在橫軸上方或下方，經(jīng)分析后我們修改了顯示點數(shù)，將256改為128，則波形變疏，同時也能看出壓縮后的變化，只是不太明顯，說明A律壓縮不會有很大失真，效果較好。對比輸入輸出波形，發(fā)現(xiàn)很相