基于TMS320C6711的数字语音压缩系统

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语音的数字通信以信道占用宽频带宽为代价实现抗干扰等功能。必须对数字语音信号进行压缩编码。
　　目前，G.729A算法多是在TI的5000系列DSP上实现单通道或双通道语音压缩，而本设计在现有的TMS320C6711系列DSP平台上使用最少的硬件资源和软件开销，压缩编码解码时间，实现了多通道语音实时压缩解压。

　　选择语音压缩编码方案
　　在评价一个语音压缩编码方案时，一般从四个方面考虑：质量、速率、复杂度和延时。目前 ITU-U已制定的G系列标准如表1所示。
　　




　　本系统需要的是一种低码率、语音质量良好、低时延、较低算法复杂度的压缩方案，从表1中可以看出，从低码率考虑就可以排除G.711、G.721、G.722和G.723。G.726在速率为16Kb/s 时，语音质量为2.0，这显然是不可以接受的。在余下的G.723.1、G.729、G.729A中，可以看到G.723.1的算法复杂度较大，而且延时较长，所以也被排除。和G.729相比，在算法复杂度方面，G.729A有较大优势。实际上， G.729A是G.729的一个简化版本，在语音质量基本维持不变的情况下，算法简化了很多。所以本系统最后选用 G.729A算法。
　　G.729A编码方案是电话带宽的语音信号编码的标准，对输入语音性质的模拟信号用8kHz、采样，16比特线性PCM量化。CS-ACELP是基于码本激励线性预测(CELP)的编码模式，每80个样点为一语音帧，对语音信号分析并提取各种参数，把这些参数编码发送。在解码端，把收到的比特流恢复成参数编码，解码后得到各个参数，用自适应码矢序号从自适应码本中得到自适应码矢，用固定码矢序号从固定码本中得到固定码矢，分别乘以它们的增益，按点相加后构成激励序列。用线性预测滤波器系数构成合成滤波器。用自适应码本方法实现长时或基音合成滤波，计算出合成语音后，用后置滤波器进一步增强音质。G.729A算法编码器原理框图如图1所示。
　　




　　图1 G.729A算法编码器原理框图
　　硬件系统设计
　　数字信号处理器具有运行速度快、性价比高、功耗低、开发快的特点。本系统选择的TMS320C6711是高性能浮点数字信号处理器，可以成功地实现实时语音压缩和解压。
　　1 系统原理框图
　　本系统以TMS320C6711为核心，外扩32MB SDRAM和2MB FLASH。DSP仿真器用于DSP的在线调试开发，可以通过软件在线控制DSP的运行状态，并能够查看DSP内部寄存器。PC是开发人员和DSP系统之间的交互界面，通过PC上安装的CCS集成开发环境，开发人员可以在友好的图形界面下对目标系统进行操作。系统原理框图如图2所示。
　　




　　图2 系统硬件框图
　　2 模拟电路接口设计
　　TLV320AIC10芯片模拟电路设计包括麦克风接口设计和扬声器接口设计，由于TLV320AIC10输出具有600Ω驱动能力，足够驱动一个耳机，也可以经过一个功率放大芯片驱动扬声器，所以输出电路较为简单。
　　TLV320AIC10内置运算放大器电路，可以方便的与麦克风接口，接口电路如图3所示。应当注意的是VMID引脚最大输出电流为5mA，为了防止输出电流超过限制，应当串联一个起保护作用的电位器RP1。
　　






　　图3 模拟电路接口
　　3 数字电路接口设计
　　TLV320AIC10 支持与 TI 5000和6000 系列的无缝接口。TLV320AIC10 通过 McBSP接口与TMS320C6711 DSP相连，如图4所示。
　　




　　图4 数字电路接口
　　注意，TLV320AIC10采用主模式，由TLV320AIC10 向TMS320C6711 DSP 提供串行通信频率 SCLK。MCLK 提供TLV320AIC10 的工作频率，包括串行通信频率SCLK和采样频率fs。串行通信频率为MCLK 的二分频，fs与MCLK关系如下：fs= MCLK/(256×N)，N = 1，2...，32。在本系统中 N为4，fs为8000，故MCLK是8.19MHz。
　　
                          
                       
                          
                                软件系统设计

　　本系统实现的目标是能够实时输入语音、压缩，并能把接收到的 G.729A 编码解压、播放出来。事实上 DSP 要同时处理多个任务：从外部语音芯片获取采集数据、编码、解码、把解码后的数据送到外部语音芯片播放。本系统采用 TI BIOS 嵌入式实时操作系统，并在此基础上开发了硬件驱动程序和上层应用程序，最后测试了实现结果。系统软件结构如图5所示。
　　




　　图5 系统软件结构图
　　实验结果
　　从实验仿真中可以得到，重建语音与原始语音的频率峰值完全相同，都在468.75Hz，这表示G.729A的LPC参数分析和基音频率估计是非常正确的，但是重建语音在200Hz、700Hz 左右有一个原始语音没有的波峰，而且重建语音在800Hz以后的幅度没有迅速下降。这说明二者还是稍有差别的。
　　结束语
　　本文对基于DSP的G.729A语音压缩算法进行了严格的测试，测试结果表明：(1)算法通过了ITU-T的测试向量，达到了ITU-T标准;(2)本编码算法对于时间长度为10ms的一帧语音数据编码需要1.1ms，解码需要0.29ms，完全可以在TMS320C6711 DSP处理器上实时实现多路语音编解码。