ＤＳP课程设计
实验报告
小组成员:自动化0８01宋晓美08２12012
自动化０801 王丹0821２014
指导教师： | 高海林 |
2011年1月
概述
数字信号处理（DＳP）课程设计是信息与通信、自动化和电子科学技术专业本 科生进行综合能力培养的实践课程，是培养学生ＤSP系统的软硬件工程设计 能力的重要实践教学环节,对于全面、系统、深入地理解与掌握信号处理知识 与设计方法具有重要的教学意义。作为通信专业的毕业生，理应牢固掌握数 字信号处理的相关知识,了解集成开发环境的使用和调试方法，内化信号处 理的基本理论知识。
| 本次实验采用DＳP C5402 实验板实现语音信号的压缩与解压的。 |
| 语音信号是信息的重要形式，语音信号处理有着广泛的应用领域,而语音压 |
及有较成熟的发展并且已经广泛应用。 | |
片上外设，其控制器可以在不影响ＣPＵ的情况下完成数据的传输,因此数据传输速度快，其数据的源和目的可以是片内存储器片上外设和片外设备。C54０2的ＤＭＡ拥有6个独立的可编程通道,允许６个不同的DMA操作。另外DMA控制器还相应HＰＩ的服务请求。SEED-VC54０2DSK实验板上集成了SRAM,FLASH，音频输入输出接口等部件。这些外设为我们提供了极大的方便.
| 语音信号模数、数模转换采用AD50,这是一款SＩGＭＡ－DELTA 型单片音频 接口芯片（AIC）。它内部集成了16 位的Ｄ/A 和A/Ｄ转换器,采样速率最高可 |
达22。05ｋb/s，其采样速率可通过ＤＳP编程来设置。在DＡC之前有一个插值滤波器以保证输出信号平滑和ADC之后有一个抽取滤波器以提高输入信号的信噪比。
一、设计任务书
1、设计要求及目标
（1）使用DSＰ实现语音压缩和解压缩的基本算法，算法类型自定,例如可以采用G.7１1、G。729等语音压缩算法。
(2)采用A/D转换器从MＩＣ输入口实时采集语音信号，进行压缩后存储到DSP的片内和片外RAＭ存储器中，存储时间不小于10秒。
(3）存储器存满之后，使用DSP进行实时解压缩,并从SPEＡKER输出口进行回放输出. |
语音信号的幅度（发音强度)并非均匀分布，由于小信号占的比例比大信号大很多，因此可以进行非均匀量化。达到这一目标的基本做法是,对大信号使用大的量化间隔，而小信号则使用小的台阶。ITU—ＴG。711建议的PCMA律和µ律语音压缩标准可以分别将１3比特和14比特压缩为8比特，达到语音压缩的目的。
3、设计任务
（１)编写C语言程序，并在CCS集成开发环境下调试通过。
（2)实现设计所要求的各项功能。
（３）按要求撰写设计报告.
二、实验原理
1。语音编码
（1）概念：语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码.PCM编码即脉冲编码调制。波形编码的最简单形式就是脉冲编码调制（Pulsecodemodulatｉｏn），这种方式将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表示，并用脉冲对采样幅度进行编码,所以叫做脉冲编码调制.脉冲编码调制没有考虑语音的性质,所以信号没有得到压缩。
（2)量化:脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化,即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化方式。但是均匀量化有缺点，在信号动态范围较大而方差较小的时
候,其信噪比会下降 。 |
由于语音信号是模拟信号，要对语音信号进行压缩、存储就必须对语音信号进行模／数转换，把转换后的语音数字信号输入DSＰ系统，由DSP系统对语音数字信号进行处理.把处理后的数字信号进行数/模转换，转变成原来的模拟语音信号，然后通过耳机或其他音频输出设备把语音进行回放。语音的采集和回放的基本结构图如图3所示。
模拟 | A/D 转 | 数字逻 | D/A 转 | 模拟信 |
辑电路 | ||||
信号源 | 换电路 | 换电路 | 号输出 | |
DSP | ||||
图3 语音的采集和回放的基本结构图 | ||||
往在模/数转换的过程中就须要压缩主要程序。目前通信系统中最常用的就是Ａ律和ｕ律两种压缩编码技术。
u律/A律压缩解压编码是CCITT国际电报电话协会最早推出的G.711语音压缩解压编码的一种格式的主要内容。其中欧洲和中国等国家采用Ａ律压缩解压编码，美国和日本等国家采用u律压缩解压编码。A律算法：本实验所用的Ａ律压缩解压编码，通过DSP将传输来的压缩后的数据进行行解压成16位,然后对解压后的数据进行分析、处理。然后将处理后的数据按照要求压缩成８位的数据格式输出到相应设备,供其它设备读取.
A律算法公式:
下图是ＤＳP将数据解压的值，DSＰ将压缩的8位数据解压成１６位的ＤSP通用数据格式。其中高１3位为解压后的数据，低3位补０.这是因为G。71１的Ａ律压缩只
能对１3位的数据操作。DSＰ将解压后的数据放在缓冲串口的发送寄存器中。只要 |
图4数据压缩解压流程图
ＤＳP的内部缓冲串口带有硬件实现的u律和Ａ律压缩解压,用户只需在相应寄存器中设置就可以了。TMS320C54０２硬件支持μ律和A律压缩算法无需重新设置,直接编程调用查找表即可,在进行Ａ律压缩时，对于采样到的1２（应改为1３）位数据，默认其最高位为符号位，压缩时要保证最高位即符号位不变,原数据后11（应改为1２）位要压缩成７位。这7位码由3位段落码和4位段内码组成。
压缩后数据的最高位（第7位）表示符号，量价分别为1、1、2、4、8、１6、3２、６4，由压缩后数据的第6位到第4位决定,第三位到第0位是段内码。压缩后的数据有一定的失真，数据压缩前后的对照表如表1所示。
１2位码(十进制） | 量价 | 符号位 | 段落码（二进制） | 段内码(二进制) |
0～ | | | | ～111１ |
1６~31 | 1 | ０ | 001 | 000０~1１１1 |
３2～63 | 2 | 0 | 010 | 0000～1１11 |
６４~１27 | 4 | 0 | 011 | 0000～1111 |
128～２５5 | 8 | 0 | １00 | 水印00０0~1１11 |
256～511 | 16 | 0 | 10１ | 0000～1111 |
51２~1 | | | | 00～11１１ |
１０24～2 | | | | 00~１111 |
表1A律数据压缩表
μ律算法：采用μ律算法对采集的语音数据进行处理,μ律编码是一种针对语音信号进行对数压缩非均匀量化的方案。采用μ律对信号进行对数形式的压缩,以便在不提高数据量的前提下提高信噪比,尽管量化的位数保持不变，但动态范围增加了。μ律压缩的语音信号一般用8比特抽样数据表示，携带小信号信息量比大信号信息量多。从统计意义上讲,有用信号更可能在小信号区间而非大信号区间。因此，在小信号区间需要更多的量化点数.
μ律算法公式:
其中Xmax是信号ｘ(n)的最大幅度，ｕ是控制压缩程序的参数，u越大压缩就越厉害
数位用于表示后4个有效位，还有一位符号位没有给出.1６比特输入数据是由线性
数据变换成8比特μ律数据(模拟传输)，然后再从μ律转成16比特的线性数据(模拟
接收），再输出到编解码器。
|
0 0 0 0 0 1a ｂ c d 1 ╳╳╳╳ | 5 | 010a b c ｄ |
0 0 0 0 １ a b c ｄ １╳ ╳╳╳ ╳ | 6 | ０ 1 1 abｃ ｄ |
0 ０ 0 1 a b c d1 ╳╳╳╳ ╳╳ | ７ | 1 ０ 0 ab c ｄ |
0０ 1 ａ b ｃ d 1 ╳╳ ╳╳╳╳╳ | 8 | １ ０ 1 a ｂ c d |
01 a b c ｄ 1 ╳╳╳╳╳╳╳╳ | 9 | 1 １ 0a b c d |
1 ａ b ｃ d １╳╳╳ ╳╳╳╳╳╳ | 1０ | 11 1 a b c d |
表2 线性到U律转换表（压缩表)
上表为压缩表：其中压缩后的数据为8位，符号位未写出。其解压表与之相反：由８位Ｕ律变换到线性１6位。
上图给出了按ｍ律压扩算法的输入输出特性曲线,m为确定压缩量的参数,它反映
最大量化间隔和最小量化间隔之比。由图可见，m值越大,压缩量越大。由于m
律压扩的输入和输出关系是对数函数关系,所以这种编码又称为对数PCM。
Ａ律压扩与ｍ律压扩相比，则压缩的动态范围略小些，小信号振幅时质量要比m律稍差.无论是A律还是m律算法,它们的特性在输入信号振幅小时都呈线性，在输入信号振幅大时呈对数压缩特性.
对于采样频率为8kHz，样本精度为１6位的输入信号，使用Ａ律压扩或m律压扩编码，经过ＰCＭ编码器之后每个样本的精度为８位，输出的数据率为６4ｋb/s。这
个数据就是CＣＩＴT,(国际电话与电报顾问委员会）推荐的G.７１１标准：话音频率脉冲编码调制。
3。存储和回放
通过定义适当大的缓冲区，将压缩后的8位或４位数据经过相应的整合,存储到1６位的RAＭ中，这种操作目的主要是充分利用存储器中的资源，以保证能够录入足够多的语音数据。利用缓冲区的目的是进行音效的实时处理.系统中各模块是同时进行处理的，一部分信号正在ADＣ中进行转换,而另一部分信号则在DSP处理器中同时进行算法处理，即整个系统是以流水线的方式进行工作的。
通过解压缩，将8位或4位数据还原成相应的语音数据，在经过ＡD50C将数字
信号还原成语音信号(即模拟信号)通过多通道缓冲串口输出，达到放音的目的. |
开始
实验板初始化
CODEC与McBSP
初始化与工作方式设置
输入语音信号
语音压缩、存储
定时器延时
解压、回放
是否结束？
1．DＳK板的初始化：
首先将DSP的串口1复位，再对串口1的16个寄存器进行编程,使串口1工作在以下状态：禁止SPI模式,但数据相，每帧一字，每字1６位,帧同步脉冲低电平有效，并且帧同步信号和移位信号有外部时钟产生.ＤSP给ＡD50编程用查询方式，A/D转换数据的接收和D／A转换的数据发送采用查询方式.
此语句调用了函数coｄec_open（）对串口1进行了初步设置，设置成功返回ｃoｄec的句柄放在变量hＨanｄseｔ中,作为调用其他函数的实参.
2．ＡD50(即CODEC)的初始化：
| hＨandseｔ = ｃodｅc＿oｐｅn(HＡNDSET_COＤEC); | |
ｃodeｃ_daｃ_mode(ｈＨanｄset,CODEC_DＡＣ_15BIT）；式＊/ | /* ＤAC15ｂiｔ模 | |
codec_adc_mode(hHandset， COＤEＣ_ＡDC＿15BIT）；／＊ＡDC15bit模式＊／ | ||
| codec_aｉn＿ｇain（hHａndseｔ, CODEC_AIN_6dB); | /* 输入6dB 增益 |
＊/
coｄec_aouｔ＿ｇain（hHaｎｄｓet，CODＥC_AOUT_MＩNＵＳ_6dB)；/＊输出-6dB
增益＊／
| ｃｏdeｃ_ｓａmple＿rate（hHanｄset,SR＿１６00０）； | /＊ 16KHｚ采样率＊/ |
该初始化过程调用了5个函数对AD50的５项参数进行了设置，包括ADC和DAC的工
作模式,模拟输入和输出的增益;以及ＡD/DA的转换速率。
1) 用TMS3２0VC５4０2实现语音的Ａ率压缩解压有两种方法：
(1）使用多通道缓冲串口(ＭcBSP）的缩展器
在多缓冲通道串口（McBSＰ）内部装置了硬件电路，支持A律格式缩展器，对数据进行压缩与
扩展,Ａ律缩展器允许14比特的动态范围。
（２)用软件实现 | |
＃incｌude<ｔｙpe．h〉 | /* 头文件*/ |
#include〈ｂoａｒd。h〉
#incｌude<cｏdｅc。h〉
＃include〈mcbsｐ54.h＞
／＊宏定义*/
＃defｉneﻩＳIGN＿BIT（ﻩ0x８0)＊/ﻩSｉgnbit fｏraA－lａｗｂyte．＊/＃defｉneQＵＡNT_MASK（0xｆ) /＊Qｕanｔizationfｉeｌｄmaｓk．＊/＃ｄefｉnｅ NＳＥGS (８) ﻩﻩ */NuｍｂeｒofA-law segｍents.*/ #ｄefineSEＧ_SＨＩFT（ﻩ4)*/ ﻩﻩLeｆｔsｈiｆｔforｓeｇmｅntnumber。＊/
＃defineﻩSEG_MASK（ﻩ0ｘ７0）ﻩ | *／Segmeｎt ｆｉｅld ｍask． ＊/ | |
/* | 函数声明 | |
ｖoiｄdeｌａy(s1６pｅrｉｏd);
vｏiｄled（s1６cnt)；
vｏｉdiniｔcｏdeｃ（voiｄ)；
ｖoｉｄfｌasheｎａble（ｖoiｄ）;
uｎsignｅｄｃhａrdaｔa2ａｌaｗ（s16pcm＿ｖal）;
intalａｗ2ｄata（unsignedｃhａｒﻩa_val）；
staｔic ｉnt searｃh（inｔ val,ｓhoｒｔ | ＊ｔaｂle，int size); | ＊/ | |
/＊ | 全局变量 | ||
HANDLEhHａｎdｓet；
s16dａta；
s1６daｔａ1;
u16ｉ=0；
u1６temp１；
u16j=0;
u1６ｋ,l=0;
u8tｅmp2；
u1６buｆｆｅr[２00０0];
stａtｉc shｏｒt seg_eｎd［８］={0ｘ１F,0x3F，０x7F，0xFF,０x1FF,0x3ＦＦ,0x７FＦ，0xFＦF};／＊ 主函数 ＊/ | |
ｌed（2)； | //闪灯两次 |
iｎiｔｃoｄec()；//初始化cｏｄeｃ
fｌasｈenable（); //选择片外FLASH为片外存储器
／＊
dｅlaｙ(1０0);
brｄ_ｌed_ｔｏggle（BRD＿LED0）;
for(i=0x９000；i<0ｘeｆff;i+＋）
{
ＲＥG_WＲＩTE（i，＊（ｖoｌatileu16＊)DRR１_AＤDR（HANDSET_CＯDEC))； deｌay(20)；
｝
bｒd_ｌeｄ_toggｌｅ（ＢＲD＿LED1)； delay（２00）; | |
｛
*(voｌatilｅu16＊）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处的采样
brｄ_lｅd_toggle（BRＤ_LＥD0);
daｔa=*(vｏlａtileｕ1６＊）DRR1_AＤDR(ＨANDSＥＴ＿CODEC）; //从h
ａnｄset处读取采样
tｅｍp１=ｄata2alａw(ｄata)； //对采样进行a 律压缩 |
*/ﻩﻩ奇数数据左移8位ｔｅmp1=abcdeｆgh0０000000ﻩﻩ ﻩbuffeｒ［j]=teｍp1＊/
ﻩ ｝
ﻩeｌsｅ
｛
ﻩ ﻩbｕfｆer[j］=(buffer[ｊ］|temp１）;
ﻩ */偶数数据与teｍｐ1取或组成新的数据
ｂuffer[j]=abcdefghiabcdeｆghi＊/
ｊ+＋;//j加1
｝
ﻩ
ｉｆ(ｉ>=40000)
ﻩ | ﻩﻩi=0； | ｛ | |
｝ﻩ ﻩ | | ||
ﻩ ﻩ
ﻩif（j〉=2０００0)
ﻩ ﻩ ｛
ﻩﻩ ﻩｊ=０；
ﻩﻩﻩ ﻩbrd_ｌed_ｄｉsabｌe(BＲD_LED0)；
ﻩ ﻩbｒd_led_togglｅ(BRD_LED1)；
//点亮二极管1表示放音开始
/＊放音部分
＊/
ﻩﻩfor（k＝0;ｋ<4０000；k++）
{ﻩﻩ ﻩ
ﻩ ﻩ ﻩﻩｉf（k%2＝＝0）
ﻩ ｛
ﻩ ﻩﻩﻩﻩtemp2=（buffer［ｌ］＞〉8)＆0x０ff；
ﻩﻩ }
ﻩｅlse
｛ﻩﻩﻩ ﻩ | |
ﻩ ﻩ | ﻩwhile (！ＭCBＳP＿XＲDＹ（HANDSEＴ＿CODEＣ)）；｝｛ |
ﻩ | （*ｖolaｔile u1６＊）DXR1_ADDR（ＨANＤSＥT_CＯDEC） = dａtａ１; |
//将数据写入D/A转换器
}ﻩ ﻩ
/* | 放音结束 | */ |
ﻩ ﻩ
ﻩ ﻩbrd＿led_tｏggle（BRD＿LED０）;
brd_led＿toggle(ＢRD_LＥD1）; ﻩ
ﻩ
} | ｝ | |
|
｝ | 子函数 | ＊/ | /／主程序结束 |
/* |
/＊＊＊**＊＊延时**＊＊**／
voｉdｄｅlaｙ（s16peｒiod）
{
inti, ｊ;
for(ｉ＝0；ｉ〈period；i＋＋）
{
foｒ（ｊ＝0；j〈ｐeｒｉod＞＞1；j+＋）;
}
｝ /**＊＊＊＊*闪灯*＊**＊＊/ | | |
{ | ｗhiｌe （ cnｔ-－ ) | |
｛ﻩ
ﻩbrd_leｄ_toggｌe（BRD＿ＬED0）； //切换LED指示灯0的显示状态
ﻩﻩdelaｙ(１00０）;
ﻩbrｄ_led_togｇle（BRD_LED1)；
ﻩﻩｄｅｌａy(１000）;
ﻩbrｄ＿ｌｅd_ｔoggｌｅ（BRＤ_LEＤ2)；
ﻩdeｌay(１0０0；）
}
｝
/*＊*＊*初始化ｃoｄｅc*＊/
ｖoidinｉｔcodeｃ(void)
｛
/＊ Open Hａnｄset Ｃodeｃ获取设置codec 的句柄*/ | |
ｈHａndｓet=codｅc＿ｏpeｎ（HＡNDSEＴ_COＤEC）； // Acｑｕire handl | |
ｅtｏcoｄec
/* Seｔcodｅcparameｔｅｒｓ*／
codec_dac_moｄe(ｈＨaｎｄｓｅt,CＯDEC＿DＡＣ_１5ＢIT）; // DACin 15－bｉtｍode
codｅc_ａdc_modｅ（ｈHaｎdseｔ,CＯＤEＣ_ADC_15BＩT)；//ＡDCin15－bitｍodｅ
codeｃ_ａin＿gaiｎ（hHanｄsｅt，CＯDＥC_AＩN_6dB)； ／/6dBgａinoｎanaloginｐutto ADC
codec_aout_gaiｎ(hＨandｓet，CODEC_AOUＴ_ＭINUS_6dB)；
//－６ｄBgaｉnonａnａlogoutｐｕtfrｏｍDＡC
cｏdec_sample_ｒate（hＨandsｅt，SR_800０)；//8KHzsampliｎｇraｔe
｝
/*＊＊**设置fｌash＊**＊/
ｖoiｄflaｓｈenable(ｖoid）
{
CPLD＿CTRL2_REG|=0x00１0; | |
｛ | |
ｉntﻩmask;
ｉnt ｓeg；
ﻩunｓiｇｎedcharﻩａval;
ﻩｉf(ｐcｍ_val＞＝0)
｛
ﻩmaｓk= 0xD5;ﻩ ／/标记（7th)ｂit=1
}
ﻩeｌsｅ
{ﻩ
mask＝0ｘ５5; ／／标记biｔ=0
pcｍ＿ｖal＝-pcｍ_vａl;
} ／/ﻩCoｎveｒｔ the ｓｃaled mａgｎiｔuｄe to segment ｎumbｅr。 | |
sｅg = ｓearch(pｃm_val，ｓeg＿end, ８)； | |
//Ｃombinｅtｈｅsｉgｎ,segmｅnｔ,ａｎdquantiｚaｔｉonｂits。
if （ｓeg>=8) ／/ｏuｔofrange,返回最大数．
retｕｒn（0x７F^ maｓk）；
else
｛
ﻩaval=seg <〈ＳＥG＿SＨIＦT；
ﻩﻩiｆ(ｓeｇ<2)
ﻩａval|= (pcm_vａｌ>>1)& QUＡＮT_MＡＳK;
ﻩelsｅ
ﻩﻩaval｜=(pcm_ｖal>>seｇ)＆ＱUANT_MASK；
ﻩrｅturn(aｖaｌ^mask)；
}ﻩ
｝
／*＊*＊alaw的子程序＊＊/
statiｃｉnt ｓearch(ｉnt val,ｓhoｒｔ | ＊ｔable，int siｚe) |
{ | |
rｅturn(size)；
}
/＊＊*＊＊ａ律解压*＊＊*＊＊/
ｉntalaｗ２ｄata(ｕnsignｅdchaｒa_val）
{
ﻩiｎtﻩt;
ﻩiｎtﻩｓeg;
a＿val^= ０x55；
t= (a＿vaｌ&QUANT＿MASＫ）＜<4；
ﻩseg=（（uｎsｉgｎed）ａ_val＆ＳEG_MASK）>>SＥＧ_SＨIFT;ﻩｉf(seg==0）
｛ | |
}
ﻩiｆ((seg〈4)&＆(ｓeｇ〉０))
{
ｔ＋=0x108；
ﻩt=（t＞＞(4－ｓｅg））;
｝ﻩ
ﻩｉｆ（seg〉3）
{ﻩ
ﻩﻩｔ+=0ｘ108；
ﻩﻩt＝(t〈〈=（ｓｅg—4)）;
｝
return（(a_val＆SIGN_BIＴ）?t ：－t);
｝
/* 结束 | ＊／ |