Communication 版 (精华区)

发信人: dormouse (出征 V 号带飘扬), 信区: Communication
标  题: 一种新型语音处理系统
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月20日21:01:00 星期三), 站内信件


上海大学学报（自然科学版）
JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY
1999年　第5卷　第3期　Vol.5　No.3　1999
 

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一种新型语音处理系统

李勇华　万旺根　余小清　袁京贤

提　要　本文介绍一种以DSP与AIC为核心,通过软件方法来实现语音处理的新型系
统.文中以G.721 ADPCM算法为例,说明了该系统的一个具体实例.
关键词　软件处理;闪速存储器;ADPCM
中图法分类号　TN 912.3

A New Speech Processing System

Li Yonghua　Wan Wanggen　Yu Xiaoqing　Yuan Jinxian
(School of Communication and Information Engineering, Shanghai 
University)

Abstract: This paper introduces a new speech signal processing system 
based on DSP and AIC that processes speech signal by software. An 
example based on G.721 ADPCM is presented.
Key words: software processing; flash memory; ADPCM

　　目前,各种语音系统已在服务行业得到广泛应用,如各种语音报站器、报价器、
玩具、自动解说装置等.像玩具发声及如倒车提示等装置,用语固定并且简短,几乎
不用外部控制,只要将语音掩膜进ROM,由语音芯片播放即可;而对报站器等语音数据
量较大的场合,一般将数据放在外部EPROM中,由单片机控制选择相应语音段合成语
音,并通过一块语音专用芯片来放音,语音数据一般由厂家根据客户需要,通过计算
机预先录入、编辑、编码后烧入EPROM.
　　市场上产品通用UM5100和TC8830等语音芯片,通过硬件电路播放语音,一般采用
ADM格式,码率在16 kbps左右.这些芯片价格便宜,但有一些共同的缺点:语音质量差
,系统配置不灵活,难以根据不同需要在语音质量和录入时间之间协调;语音改动不
方便,不能直接录入,即使是小改动也必须由厂方用其特定录入系统来进行.
　　针对这种情况,作者尝试用数字信号处理器(DSP)通过软件来实现语音的回放及
录入,并以闪速存储器(Flash Memory)取代EPROM存放语音数据,以此构建了一种新
型语音处理系统.

1　硬件结构

　　硬件系统如图1所示.DSP承担的功能是:通过高速同步串口控制AIC的语音中断
,采用中断与查询方式相结合来控制外部按键及控制语音写入和读出Flash 
Memory,用软件实现语音编码(录音)和解码(放音).AIC即模拟接口电路,完成A/D(录
音)和D/A(放音),通过串口与DSP交换数据.程序和数据则放在Flash Memory中.在系
统样机研制过程中,在现有系统基础上［1］,本文使用了TMS320C25 DSP和TLC32044
 AIC,实用时将使用TMS320C203 DSP和TLC320AC02 AIC.



图1　语音处理系统硬件结构框图

1.1　DSP及AIC简介

　　TMS320C25 DSP片内有544字的在片RAM,其中的256字可灵活配置为程序或数据
RAM;还有4 K字的在片ROM,可掩膜为程序ROM,在产品定型后可选用而省去外部ROM.
由于DSP的内部模块就是专为数字处理密集运算设计的,因此很适于用来实现编解码
算法.C25的数值运算能力为10 MIPS(兆指令每秒);而一个高质量的G.721标准(32 
kbps ADPCM)的算法需要的处理能力是2.6/2.3(编码/解码) MIPS.TLC320系列AIC都
是专门为语音数据处理设计的,有14位的转换精度,还内置有防混叠滤波器和可程控
选择的语音频率高通和低通滤波器,并可通过高速串口(可达Mbps级)同DSP直接相连
.

1.2　FLASH简介

　　系统的程序和语音数据分别放在Flash Memory不同区中.Flash Memory选用的
是ATMEL公司的AT29Cxxx系列.它的特点是单+5 V电可擦除,小扇区(128字节)编程,
扇区重编程无需预擦除,且重编程时间很短,只需数毫秒,有多种数据保护格式.这些
特点使人们在录入语音时,能够用C25的在片RAM作为缓冲区,实现语音编码和写入
Flash.具体型号是AT29C512,容量为64 K×8,两片组合成64 K×16,可获得1 Mbit.
从它的多种封装中选择了DIP32,主要是考虑到两点:一是它与DIP28的EPROM(如
27C512,64 K×8)的管脚兼容,可用EPROM直接替代;另外则是方便以后的扩容,
AT29C040(256 K×8)也有32脚封装,电路稍做转换即可使用.

1.3　输入输出接口设计

　　样机使用DSP的I/O空间扩展了四个按键,没有接扩展键盘.LED显示是通过数据
锁存来实现的.实用时,如按键数较多,还可同样简单地扩充,通过中断结合查询的方
式来接收外部按键输入.

2　软件描述

　　运用数字信号处理器(DSP),用软件来实现语音编解码算法,这是系统的最大特
色.为保持较好语音质量,同时又有一定压缩率,并考虑到编程实现的方便,系统采用
波形编码,选用了比较成熟的ADPCM算法来实现系统样机.
　　程序的核心是ADPCM算法,下面对此算法作一简要描述:
　　CCITT(ITU)的G.721算法是实现32 kbps ADPCM的基础,标准中已给出了基于定
点DSP汇编实现的子模块,其算法流程可参见图2［2,3］.
　　值得注意的是,由于从AIC采得的是14 bit的线性数据,因此PCM数据可以直接输
入,而无需进行输入格式转换.同样,解码流程中的输出格式转换和同步编码调整也
可以省去(省去部分图中以虚框表示).



图2(a) G.721标准的ADPCM算法框图——编码部分



图2(b) G.721标准的ADPCM算法框图——解码部分

　　实际应用时,用软件实现此算法重点放在解码上,因为语音数据的录入一般都在
计算机里完成,然后烧入EPROM中,由DSP解码、合成、放音.
　　ADPCM 16 kbps软件采用G.726标准,其基本工作流程与G.721相同,但运算量增
加了许多,由于本系统在录音时不放音,因此在算法简化后可达到运算要求.
　　由于Flash Memory是按扇区写入的,而且有10 ms的编程时间限制,因此在录音
(数据写入Flash Memory)时,要用DSP的一部分在片RAM做缓冲区.处理后的数据暂存
在RAM里,在8 K采样率下采样128个点是16 ms,已经能够满足编程时间的要求.
　　样机软件其它部分的处理来自按键和AIC的中断,按键实际上是使用的是外部中
断INTO,这使按键能够优先于语音中断处理.
　　该系统采用ADPCM算法在32 kbps码率及通常环境下录音,其效果已令人满意,并
可由外部选择效果更好的PCM方式录放音和扩音工作方式.目前的语音系统,由于普
遍采用ADM调制(16 kbps左右),在语音的自然度方面总是难以令人满意.

3　样机的改进与应用前景

　　目前市场上常见系统都只具有语音组合回放功能,而该系统语音录入及放出方
便,还可根据需要选择合适的算法,在放音时间和语音质量两者之间做最佳平衡.在
DSP控制下方便地对语音作在线改写,这样除送出固定语音外,还可比较容易地提供
增值服务,如节日问候、简短广告、天气预报、临时宣传语等.
　　该系统目前价格较高,一种改进方案是用TMS320C203代替TMS320C25,用
TLC320AC02取代TLC32044,这样系统价格将达到商品水平.C203是TI公司目前力推的
C2xx产品,资源、配置与代码可全面兼容C25,并增加了异步串口、锁相环(PLL)及软
件延迟等新资源,其运算能力提高一倍,达到20 MIPS,可实现更复杂算法,而价格是
C25的一半.另外AC02的价格是44的三分之一,功能相同,并只需要单+5 V电源.在做
以上硬件调整的同时,为C2xx DSP编制更多优秀的语音处理算法软件,是系统的主要
工作与成功关键.这样就能在同一硬件上不断升级,这是软件处理的特点,是目前其
它系统无法实现的.

作者单位：　通信与信息工程学院

参考文献

　［1］　郑伯诺,李勇华,余小清等.一种实时语音信号数字处理系统.上海大学学
报(自然科学版), 1998, 4(2):222
　［2］　Recommendation G.721, 32 kbit/s adaptive differential pulse 
code modulation. CCITT, 1988
　［3］　Digital signal processing applications with the TMS320 family.
 TI Press, 1986
 

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