DSP技术课程设计语音信号扩展U律新.docx

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DSP技术课程设计语音信号扩展U律新

摘要

本文简要阐述了语音信号扩展U律的基本原理，可以将高位的数据扩展成低位的数据，它适用于声音信号的播放和传输系统，在设计中借助MATLAB信号处理工具箱FDAtool工具设计了语音信号扩展系数，然后在CCS中以TMS320C55x芯片的汇编语言编程实现了该语音信号扩展。

利用MATLAB设计语音信号扩展，可以随时对比设计要求和语音信号扩展特性调整参数，直观简便，极大的减轻了工作量，有利于语音信号扩展设计的最优化。

另外文中还介绍CCS开发环境。

文中所给程序已经经过软件仿真验证，所设计的语音信号扩展符合设计要求。

关键词：

DSP，语音信号扩展，MATLAB,CodeComposerStudio（CCS）,TMS320C55x

目录

1语音信号扩展U律设计任务及目的...............1

1.1语音信号扩展U律设计任务…………………………………………1

1.2语音信号扩展U律设计目的………………………………………...1

1.3语音信号扩展U律设计基本原理………………………………………1

1.3.1语音信号扩展编码技术的发展……………………………………..1

1.3.2DSP硬件实现数据扩展解压的简单流程………………………….1

1.3.3U律语音信号扩展……………………………………………………2

2TMS320C5X结构…………………………………..4

2.1C55X的CPU体系结构…………………………………………………..4

2.2指令缓冲单元（I）…………………………………………………….4

2.3程序流程单元（P）…………………………………………………….4

2.4地址程序单元（A）……………………………………………………..5

2.5数据计算单元（D）……………………………………………………..5

3语音信号扩展U律设计过程.........................................6

4语音信号U律设计软件程序........................................7

5语音信号扩展U律设计的CCS实现..................15

5.1简述CCS环境………………………………………………15

5.1.1CCS主要特点…………………………………………………………15

5.1.2DSP/BIOS和API函数以及RTDX插件………………………………..15

5.2CCS配置………………………………………………………………...16

5.3CCS环境中工程文件的使用…………………………………………..16

5.3.1建立工程文件……………………………………………………….16

5.3.2创建新文件………………………………………………………….17

5.3.3向工程项目中添加文件……………………………………………...17

5.4编译链接和运行目标文件…………………………………………….18

5.4.1对程序进行编译链接并装载.out文件……………………………18

6仿真结果及讨论............................................................19

结论...................................................................................22

参考文献...............................................................................23

1语音信号扩展U律设计任务及目的

1.1语音信号扩展U律设计任务

（1）完成语音信号采集；

（2）对语音信号进行U律扩展；

（3）传输扩展后的信号

1.2语音信号扩展U律设计目的

本设计的目的在于通过使用DSP的程序设计完成对语音信号的扩展，既可以通过软件实现，也可以通过硬件实现。

进行程序的设计，并在CCS软件环境下进行调试，同时也加深学生对数字信号处理器的常用指标和设计过程的理解。

1.3语音信号扩展U律设计基本原理

1.3.1语音信号扩展编码技术的发展

随随着通信、计算机网络等技术的飞速发展，语音扩展编码技术得到了快速发展和广泛应用，尤其是最近20年，语音扩展编码技术在移动通信、卫星通信、多媒体技术以及IP电话通信中得到普遍应用，起着举足轻重的作用。

　　语音扩展编码技术的类别

　　语音编码就是将模拟语音信号数字化，数字化之后可以作为数字信号传输、存储或处理，可以充分利用数字信号处理的各种技术。

为了减小存储空间或降低传输比特率节省带宽，还需要对数字化之后的语音信号进行扩展编码，这就是语音扩展编码技术。

　　语音的扩展编码方法归纳起来可以分为三大类：

波形编码、参数编码和混合编码。

1.3.2DSP硬件实现数据扩展解压的简单流程

DSP将传输来的扩展后的数据进行解压成16位或32位，而后对解压后的数据进行分析，处理，最后将处理后的数据按照要求扩展成8位的数据格式输出到相应设备以供读取：

DR→RSR→RBR→解压→RJUST→DDR→DXR→扩展→XSR→DX

在进行扩展时，采样后的12位数据，默认其最高位为符号位，扩展时要保持最高位即符号位不变；原数据的后11位要扩展成7位。

这7位码由3位段落码和4位段内码组成，具体扩展变换后的根据后11位数据大小决定。

扩展后数据的最高位（第7位）表示符号，量阶分别为1，1，2，4，8，16，32，64，由扩展后数据的第6位到第4位决定，第3位到第0位是段内码，扩展后数据有一定的失真，有些数据不能表示出，只能取最接近该数据的扩展值。

例如数据125，扩展后的值为00111111，意义如下：

从左往右，第一个0为符号位，表示为一个正数；后面的011为段落码，表示量阶为4，起始数据为64，后面的4个1111为段内码，表示值为15

最终结果为：

64+4*15=124.

1.3.3U律语音信号扩展

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

μ律查找表内共有256个数，分别用来获得0—7段量化电压，其由16×16组数组成。

由下表看大信号多数由第7段表示，三个指数位用来表示第0-7段，4个尾数位用于表示后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

上图给出了按μ律压扩算法的输入输出特性曲线，μ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，μ值越大，压缩量越大。

由于μ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μ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μ律稍差。

无论是A律还是μ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μ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。

U律的扩展可定义为：

U律扩展的线性表如下：

扩展过的码字

偏值得输入

段值，量化值

比特：

654321x

比特：

1110987654321x

000abcd

000000xabcd1

001abcd

0000001abcd1

010abcd

000001abcd1x

011abcd

00001abcd1xx

100abcd

0001abcd1xxx

101abcd

001abcd1xxxx

110abcd

01abcd1xxxxx

111abcd

1abcd1xxxxxx

2TMS320C5X的硬件结构

2.1C55X的CPU体系结构

C55X有1条32位的程序数据总线（PB），5条16位数据总线（BB、CB、DB、EB、FB）和1条24位的程序地址总线及5条23位地址总线，这些总线分别与CPU相连。

总线通过存储单元接口（M）与外部程序总线和数据总线相连，实现CPU对外部存储器的访问。

这种并行的多总线结构，使CPU能在一个CPU周期内完成1次32位程序代码读、3次16位数据读和两次16位数据写。

C55X根据功能的不同将CPU分为4个单元，指令缓冲单元（I）、程序流程单元（P）、地址流程单元（A）、和数据计算单元（D）。

读程序地址总线（PDA）上传送24位的程序代码地址，由读程序总线（PB）将32位的程序代码送入指令缓冲单元进行译码[1]。

2.2指令缓冲单元（I）

C55X的指令缓冲单元有指令缓冲队列IBQ和指令译码器组成。

在每个CPU周期内，I单元将从程序数据接收的4B程序代码放入指令缓冲队列，指令译码器从队列中取6B程序代码，根据指令的长度可对8位、16位、24位、32位和48位的变长指令进行译码，然后把译码数据送入P单元、A单元和D单元去执行。

2.3程序流程单元（P）

程序流程单元有程序地址产生电路和寄存器组凑成。

程序流程单元产生所有程序空间的地址，并控制指令的读取顺序。

程序地址产生逻辑电路的任务是产生读取空间的24位地址。

一般情况下，它产生的是连续地址，如果指令要求读取非连续地址的程序代码时，程序地址产生逻辑电路能够接收来自I单元的立即数和来自D单元的寄存器值，并将产生的地址传送到PAB。

在P单元中使用的寄存器分为5种类型。

●程序流寄存器：

包括程序计数器、返回地址寄存器和控制流程关系寄存器。

●块重复寄存器：

包括块重复寄存器0和1（BRC0、BRC1）BRC1的保存寄存器（BRS1）、块重复起始地址寄存器0和1以及块重复结束地址寄存器0和1。

●单重复寄存器：

包括单重复寄存器和计算单重复寄存器。

●中断寄存器：

包括中断标志寄存器0和1、中断使能寄存器0和1以及调试中断使能寄存器0和1。

●状态奇存期：

包括状态寄存器0，1，2和3。

2.4地址程序单元（A）

地址程序单元包括数据地址产生电路、算术逻辑电路和寄存器组构成。

数据地址产生电路能够接收来自I单元的立即数和来自A单元的寄存器产生读取数据空间的地址。

对于使用间接寻址模式的指令，有P单元向DAGEN说明采用的寻址模式。

A单元包括一个16位的算术逻辑单元，它既可以接收来自I单元的立即数也可以与存储器、I/O空间、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信。

A单元包括的寄存器有以下几种类型。

●数据页寄存器：

包括数据页寄存器和接口数据页寄存器；

●指针：

包括系数数据指针寄存器、堆栈针寄存器和8个辅助寄存器；

●循环缓冲寄存器:

包括循环缓冲大小寄存器、循环缓冲起始地址寄存器;

●临时寄存器：

包括临时寄存器。

2.5数据计算单元（D）

数据计算单元由移位器、算数逻辑电路、乘法累加器和寄存器组构成。

D单元包含了CPU的主要运算部件。

D单元移位器能够接收来自I单元的立即数，能够与存储器、I/O单元、A单元寄存器、D单元寄存器和P单元寄存器进行双向通信，此外，还可以向D单元的ALU和A单元的ALU提供移位后的数据。

移位可以完成以下操作：

●对40位的累加器可以完成向左最多32位的移位操作，移位数乐意从零食寄存器读取或由指令中的常数提供；

●对于16位寄存器、存储器或I/O空间数据可完成左移31位或32位的移位操作；

●对于16位立即数可完成向左移最多15位的移位操作。

3语音信号扩展U律设计过程

设计步骤

（1）连接好DSP开发系统，运行CCS软件；

（2）设计程序或键入下面的参考程序并保存（文件名设为jia）

（3）新建两个工程，分别添加jia以及链接命令文件（.cmd文件）；

（4）向工程添加

（5）编译、链接工程，生成．Out文件；

（6）装载.out文件，运行;

（7）找错至无错误

（8）在view下运行两程序，出现结果框图。

（9）改变参数，重新设置其工作的参数，重复以上步骤并比较；

4语音信号U律设计软件程序

存储器的分配（5402.cmd）

MEMORY

{

PAGE0:

VECS:

origin=0080h,length=0080h/*InternalProgramRAM*/

PRAM:

origin=7600h,length=8000h/*InternalProgramRAM*/

PAGE1:

SCRATCH:

origin=0060h,length=0020h/*ScratchPadDataRAM*/

DMARAM:

origin=0C00h,length=0300h/*DMAbuffer*/

DATA:

origin=1100h,length=0080h/*InternalDataRAM*/

STACK:

origin=1180h,length=0560h/*StackMemorySpace*/

INRAM:

origin=1900h,length=0100h/*InternalDataRAM*/

HPRAM0:

origin=1A00h,length=0002h/*HPImemoryaccessiblebyHostandDSP*/

HPRAM1:

origin=1A02h,length=0280h/*HPImemoryaccessiblebyHostandDSP*/

HPRAM2:

origin=1C82h,length=0280h/*HPImemoryaccessiblebyHostandDSP*/

EXRAM:

origin=1F10h,length=9000h/*ExternalDataRAM*/

}

SECTIONS

{

.cinit>PRAMPAGE0

.text>PRAMPAGE0

.vectors>VECSPAGE0

init_var>PRAMPAGE0

detect>PRAMPAGE0

vrcprg>PRAMPAGE0

matprg>PRAMPAGE0

.stack>STACKPAGE1

.trap>SCRATCHPAGE1

.const>EXRAMPAGE1

.data>EXRAMPAGE1

.bss>EXRAMPAGE1

.cio>EXRAMPAGE1

.switch>EXRAMPAGE1

tables>EXRAMPAGE1

var>EXRAMPAGE1

svctab>EXRAMPAGE1/*SS_VLSPtable*/

vctab>EXRAMPAGE1/*VLSPtable*/

uvctab>EXRAMPAGE1/*UVLSPtable*/

cuvtab>EXRAMPAGE1/*Stochasticcodebook*/

cdbktab>EXRAMPAGE1/*variouscodebooktables*/

logtab>EXRAMPAGE1/*tableforlog2*/

powtab>EXRAMPAGE1/*tableforpow2*/

hamtab>EXRAMPAGE1/*tableforhamming*/

lgwtab>EXRAMPAGE1/*tableforlagwindow*/

acostab>EXRAMPAGE1/*tableforarccos*/

sqrtab>EXRAMPAGE1/*tableforsquareroot*/

acbtab>EXRAMPAGE1/*tableforthresholdsinacb*/

pm03tab>EXRAMPAGE1/*tableforx^（-0.3）computation*/

costab>EXRAMPAGE1/*tableforcosine*/

V23>INRAMPAGE1

FSK>INRAMPAGE1

hpibuff0>HPRAM0PAGE1

hpibuff1>HPRAM1PAGE1

hpibuff2>HPRAM2PAGE1

dma_buff>DMARAMPAGE1

}

/*主程序设计*/

/*语音采集及回放程序*/

/*用U律进行扩展及解压*/

/*采用AD50进行A/D，D/A转换*/

/*灯循环闪烁程序开始*/

/*L0：

录音*/

/*L1：

放音*/

#include/*头文件*/

#include

#include

#include

/*宏定义*/

#defineSIGN_BIT（0x80）/*SignbitforaA-lawbyte.*/

#defineQUANT_MASK（0xf）/*Quantizationfieldmask.*/

#defineNSEGS（8）/*NumberofA-lawsegments.*/

#defineSEG_SHIFT（4）/*Leftshiftforsegmentnumber.*/

#defineSEG_MASK（0x70）/*Segmentfieldmask.*/

/*函数声明*/

voiddelay（s16period）;

voidled（s16cnt）;

voidinitcodec（void）;

voidflashenable（void）;

unsignedchardata2alaw（s16pcm_val）;

intalaw2data（unsignedchara_val）;

staticintsearch（intval,short*table,intsize）;

/*全局变量*/

HANDLEhHandset;

s16data;

s16data1;

u16i=0;

u16temp1;

u16j=0;

u16k,l=0;

u8temp2;

u16buffer[20000];

staticshortseg_end[8]={0x1F,0x3F,0x7F,0xFF,0x1FF,0x3FF,0x7FF,0xFFF};

/*主函数*/

voidmain（）

{

if（brd_init（100））

return;

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）;

for（i=0x9000;i<0xefff;i++）

{

*（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handset处读取

采样

temp1=data2alaw（data）;//对采样进行U律扩展

/*把低地址数据放在高八位高地址数据放在低八位*/

i=i+1;

if（i%2==1）

{

buffer[j]=（temp1<<=8）;

/*奇数数据左移8位temp1=abcdefgh00000000

buffer[j]=temp1*/

}

else

{

buffer[j]=（buffer[j]|temp1）;

/*偶数数据与temp1取或组成新的数据

buffer[j]=abcdefghiabcdefghi*/

j++;//j加1

}

if（i>=40000）

{

i=0;

}

if（j>=20000）

{

j=0;

brd_led_disable（BRD_LED0）;

brd_led_toggle（BRD_LED1）;

//点亮二极管1表示放音开始

/*放音部分*/

for（k=0;k<40000;k++）

{

if（k%2==0）

{

temp2=（buffer[l]>>8）&0x0ff;

}

else