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基于arm的数字语音压缩系统.pdf
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基于arm的数字语音压缩系统.pdf
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硕士学位论文
II
摘 要
在日益发展的电子技术和各行业对产品需求的不断提高的刺激下,原有的语
音录音装置已经满足不了现有应用需求,所以研制新型的语音录音装置成为一种
必然的趋势,而不断发展的芯片技术、制造工艺等也给新型语音录音装置的研制
提供了技术保障。传统语音录音装置是采用 51 单片机加语音编解码 DSP 的模式,
语音编解码芯片内嵌固定语音压缩算法,由 51 单片机控制逻辑。由于传统语音板
系统软硬件的限制,在实际运用中,会遇到存储时间过短,对外传输速度有限,
解压操作不方便等诸多不足。所以研究新型语音压缩系统势在必行。
本课题研究基于 ARM 的数字语音压缩系统,针对目前国内现有语音压缩系统存在
的问题,设计出具有更强大处理能力,和更多功能的新型语音压缩系统。
1) 针对原有系统在系统处理能力的不足,本文设计出一种新的系统。新系统中选
择三星 S3C2440 做为整个系统的主控制芯片,采用 ARM+LINUX 架构,使得整
个系统的处理能力和外围扩展能力都得到极大的提高。
2) 针对原有系统的对外通信方式单一,存储时间短的不足,本文利用充分利用
ARM 系统的大容量存储器,可以使存储时间达到 60 小时,而且扩展非常方便。
利用 USB 的高传输率实现高速转储,使大容量存储不成为系统瓶颈。而且 ARM+
LINUX 系统有丰富的外设,如以太网,CAN,USB,485 等,比传统的系统可以
有多种传输方式,并且有较快的速度。
3) 采用 FPGA 作为主要逻辑控制芯片,DSP 作为语音压缩算法处理芯片,通
过实现三者之间的数据交换,从而实现 ARM+FPGA+DSP 的多处理器整合平台。
4) 采用 MELP(混合激励线性预测编码)算法,它具有 2.4K/bps 的低编码速
率,并能保持较好的语音质量。针对 DSP,通过优化算法,使得 DSP 可以同时处
理两路语音数据,大大提高实用性。
5) 新平台实现的算法软解压方式,则给新型语音录音装置的推广起到至关重
要的作用。
本课题设计的新型语音压缩系统经过严格的调试和各种测试,各项功能和指
标都达到设计要求,现已完全替代原有语音录音装置。
关键词:数字语音压缩;嵌入式系统;MELP;DSP
硕士学位论文
IV
same time, which greatly enhances practicality.
(5) The new platform and software decompression algorithm play a crucial role
in the promotion of the new voice recording device.
the design of the new issue voice compression system through a rigorous testing
and various tests, Various functions and indicators are at the design requirements , Is
a perfect substitute for the original voice recording device .
Key words: Digtal Speech Compression; Embedded Systems; Melp; DSP
硕士学位论文
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第 1 章 绪 论
1.1 选题背景及意义
通信的目标是尽可能用最小的系统开销、最准确可靠地传输用户信息,现代
通信网络存在带宽和系统容量、传输的有效性和可靠性的矛盾,因此对语音进行
压缩编码是提高通信容量的重要措施。所谓语音编码,就是将模拟语音信号通过
数模转换器进行数字化采样,再将这些采样值进行有效的压缩编码,使之成为数
据流,以便于存储和传输,与模拟语音相比较,使用语音编码技术的数字语音传
输和存储系统,具有可靠性高、抗干扰能力强、便于快速交换、易于实现保密和
性价比高等优势。目前对语音压缩编码技术的研究主要集中在低速率语音压缩编
码上,在大大节省信道带宽的同时还保证语音质量。虽然随着大容量通信通道如
光纤等宽带信道的引入,一段时间曾认为语音压缩编码技术已没有研究的必要,
但实际上,光纤信道目前只是在骨干网上得到应用,在接入网和支线的大规模应
用仍需要一段时间,并且无线信道的信道带宽始终是一个突出的问题,因此对低
速率语音压缩编码技术的研究是非常有必要的。随着人类对外太空的探索进一步
深入,对无线通信技术的应用进一步广泛,对低速率语音压缩编码技术甚至是超
低速率的语音压缩编码技术的研究会进一步深入的开展
[1]
。
现代的语音编码技术主要有三种,分别是波形编码、参数编码和混合编码。
波形编码力图使重建的语音波形和原始语音波形尽量一致。这种压缩编码具有适
应能力强、语音质量好、编码算法简单等优点,但编码速率高。最常用的波形编
码技术有脉冲编码调制(PCM)、自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)和增量调制(△
调制)等。
参数编码利用语音信号具有短时平稳性的特点,把语音信号分为帧格式,在
每一帧中提取它的模型参数进行传送,在接收端再通过利用这些参数重建语音信
号。这类编码器称为声码器,采用的模型是传统的语音生成模型。用参数编码可
以达到比较低的编码速率,可做到 2.4kbps 以下,但缺点是合成语音质量差,特
别是自然度较低,男女声有时区分不出来,其 MOS 分一般在 3 分以下,并且对
环境噪声比较敏感。最流行的声码器系统是线性预测声码器。
混合编码是将波形编码和参数编码两者结合起来,尽量保留波形编码和参数
编码两者的优点,因此很好的解决了波形编码和参数编码的缺点,因此是近年来
低速率语音压缩编码技术研究的重点。混合编码采用的方法的共同点是先进行线
性预测(LP)分析,去掉语音的相关性,再用合成分析法和感知加权均方误差最小
硕士学位论文
3
的进展和实际应用。20 世纪 90 年代中期还出现了很多被广泛使用的语音编码国
际标准。如数码率为 5.3/6.4Kbps 的 G.723.1、数码率为 8Kbps 的 G.729 等。此外,
也存在着各种未形成的国际标准,但数码率更低的成熟的编码算法,有的算法数
码率甚至可以达到 1.2Kbps 以下,但仍能提供可懂的语音
[3]
。
1.3 课题来源及意义
课题来源于株洲电力机车研究所的“新型语音压缩系统的研究与开发”,
原有的语音压缩录音装置是采用 51 单片机加语音编码及解码 DSP 的模式,
语音编解码芯片内嵌固定语音压缩算法,由 51 单片机控制逻辑。由于传统语音板
系统软硬件的限制,在实际运用中,会出现一下不足:
1、原有语音板中的 51 单片机和语音编解码芯片支持的存储容量有限,而且
也无法支持外接大容量存储器,所以造成系统存储时间短。
2、原有语音板采用 51 单片机作为主控制器,由于 51 单片机本身外设的不足,
加上语音编解码芯片的连接,使得系统对外接口很少,系统的可监控性很差。
3、由于 51 单片机本身的系统资源的缺乏,加上语音编解码芯片算法程序的
固化,使得整个系统的可编程性,可升级性很差,产品的应用范围有限。
针对上述不足,提出了一个改进方案,整个语音系统采用 DSP+FPGA+ARM
的结构替换现有 51 单片机+语音编码及解码 DSP 的结构,在实现原有功能的基础
上,增加了系统存储容量和存储时间,并且支持各种通用外设,如 USB,以太网,
串口。CAN 等接口,极大丰富了系统对外通讯速度和手段。由于新方案采用可编
程 FPGA 和通用 DSP,所以在系统可编程性和可升级性上有很大的改进。
所以为了适应新时代技术发展的需要,开发新型语音录音装置成为一种必然,
而这种必然既对新系统的功能和可靠性提出了很高的要求,也会将来的市场应用
打下了良好的基础。
1.4 论文结构
本论文的结构安排如下:
第 1 章 主要介绍论文的研究背景,研究意义,国内外语音编码技术研究现状,研
究范围和内容。
第 2 章 主要介绍嵌入式系统的基本知识,介绍了 MELP 算法以及各个主要
处理器的详细功能和各项参数。
第 3 章 主要介绍系统总体框架及硬件设计。详细介绍了系统的设计要求,以
及整个系统中的各个外设的设计和实现方法。
第 4 章 主要介绍系统软件设计。详细分析了 MELP 算法的编码和解码过程、
硕士学位论文
5
第 2 章 嵌入式系统及语音算法概述
2.1 嵌入式系统的定义
所谓嵌入式系统(Embedded System),实际上是“嵌入式计算机系统”的简称,
它是相对于通用计算机系统而言的。
嵌入式系统无处不在,从家庭的洗衣机、电冰箱等,都属于可以使用嵌入式
技术进行开发和改造的产品。根据电气工程师协会(IEE)的定义,嵌入式系统
是用来控制或监视机器、装置或工厂等的大规模系统的设备。可以看出此定义是
从应用方面考虑的。而国内一般定义为:以应用为中心,以计算机为基础,软硬
件可裁减,从而能够适应实际应用中对功能、成本、体积、功耗等严格要求的专
用计算机系统
[4]
。
2.2 嵌入式系统组成
嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等
几大部分组成。
2.2.1 嵌入式处理器
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器和通用处理器最大的
不同在于其大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用计算机中许多
由板卡完成的任务集成在新片内部,从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化,并
具有高效率、高可靠性。现在使用最为广泛的有 ARM、MIPS、PowerPC 、MV68000
等。
2.2.2 外围设备
外围设备是指在一个嵌入式系统中,除了嵌入式处理器以外用语完成存储、
通讯、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为 3 类:
1、存储器:静态易失性存储器(RAM/SRAM)、动态存储器(DRAM)和
非易失性存储器(FLASH)。
2、接口:应用最广泛的包括并口、RS-232、SPI 串行外围设备接口、USB 通
用串行总线接口、Ethernet 网口。
3、人机交互:LCD、键盘和触摸屏等。
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