西北工业大学毕业设计.docx

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西北工业大学毕业设计

本科毕业设计论文

题目低速率语言压缩系统硬件设计

专业名称信息对抗技术

学生姓名陈钟

指导教师张小蓟

毕业时间2012年06月

设计

论文

毕业任务书

一、题目

低速率语音压缩系统硬件设计

二、指导思想和目的要求

2.1、要求学生充分运用所学的模拟电路与数字电路课程的知识，学习并掌握有关DSP数字信号处理器与语言压缩等相关知识，完成低速率语言压缩的硬件电路设计、调试、软件编程，提高学生的科学理论研究与实际动手能力；

2.2、要求学生了解、掌握语言压缩系统的组成与设计方法，熟悉、掌握DSP数字信号处理器与模拟接收电路的时序信号硬件设计，掌握电路设计的硬件与软件流程，完成设计可编程门阵列电路软件环境仿真、程序调试、芯片加载，完成信号调理电路设计、调试，熟悉语言压缩系统低速率压缩算法及其实现，争取实现、完成低速率语音压缩系统的测试。

三、主要技术指标

1、工作模式：

单通道全双工；

2、输入信号动态：

20dB，工作频率：

500Hz-3.4KHz；

3,数据率≦1KHz（系统）。

四、进度和要求

1,第1周（2月20日）～第2周（3月2日）查阅硬件资料，熟悉TMS320C54X系列DSP的结构、功能、接口关系，了解毕业设计题目的内容及实现技术途径，完成1500字科技英语翻译；

2,第3周（3月5日）～第4周（3月16日）查阅软件资料，学习基于TMS320C54X系列DSP的编程语言，熟悉其软件编程CCS的仿真环境；

3,第5周（3月19日）～第6周（3月30日）学习电路设计软件，熟悉、了解、掌握Protel99SE的电路设计环境，完成基于TMS320C54X系列DSP的低速率语音压缩系统的硬件设计；

4,第7周（4月2日）～第8周（4月13日）进行电路板的制作与加工，器件采购；

5,第9周（4月16日）～第10周（4月27日）进行电路板的焊接、调试、数据采集实验，撰写论文准备工作；

6,第11周（4月30日）～第12周（5月11日）对所设计的低速率语音压缩系统进行全系统链接实验，开始论文撰写；

7,第13周（5月14日）～第14周（5月25日）进行低速率语音压缩系统的电路修改、参数调整与系统完善，撰写毕设论文；

8,第15周（5月28日）～第16周（6月8日）低速率语音压缩系统定型实验，修改毕设论文；毕业设计答辩。

五、主要参考书及参考资料

1，孙肖子，张企民，模拟电子技术基础，西安，西安电子科技大学出版社，2001年1月

2，岳怡，数字电路与数字电子技术，西安，西北工业大学出版社，2001年2月

3，谭浩强，C程序设计（第二版），北京，清华大学出版社，1999年12月

4，周润景，图雅，张丽敏，基于QuartusП的FPGA/CPLD数字系统设计实例，北京，电子工业出版社，2009年7月

5，张雄伟，陈亮，徐光辉，DSP芯片的原理与开发应用，北京，电子工业出版社，2003年2月

6，梁晓雯，裴小平，李玉虎，TMS320C54X系列DSP的CPU与外设，北京，清华大学出版社，2006年9月

7，鲍长春，低比特率数字语音编码基础，北京，北京工业大学出版社，2001年

学生___________指导教师___________系主任___________

摘要

近年来，随着多媒体信息技术和网络技术的高速发展，语音信号成为当今媒体应用中不可缺少的组成部分。

媒体播放、视频会议、远程医疗等应用都离不开语音信号。

可随着网络的飞速发展，通讯数据也随之日益剧增，而存储介质的容量和通信信道的带宽却面临着容量受限问题，同时语音处理的实时性要求也越来越高。

因此，探索和研究有效的数据压缩算法、完成相应的硬件实现，对于降低传输和存储语音的代价，实现高质量的语音编码具有一定的科学研究意义和实际应用价值。

本系统采用模块化的设计方法，包括以DSP芯片TMS320C5409为核心的数字信号处理电路，数据处理模块以及其他信号调节与信号功率放大电路，并结合CYPRESS公司的FIFO芯片CY7C4225与Altera公司的CPLD芯片（EPM240可编程接口控制逻辑芯片）完成对数据采集系统的逻辑信号控制与数据流的缓冲。

用DSP硬件实现，提高了算法的运算速度，增强了系统的实时处理能力。

该系统包括硬件电路设计和软件控制两部分。

该硬件设计方案应用PROTEL软件完成数据采集系统的各个细节电路的硬件电路设计。

软件部分，应用CCS代码调试器的集成开发环境下完成了算法的DSP编程、调试和验证。

本文对低速率语音压缩系统的硬件设计过程进行了详细的描述。

通过对DSP和CPLD等电路的设计与软件编程实现信号的压缩编码和解码，根据系统要求实现了硬件对接收机信号的自动增益控制电路的设计与实现，并对所设计的系统进行了实验测试，验证了系统设计的有效性。

关键词：

低速率，语音压缩，PROTEL，DSP，CPLD

ABSTRACT

Inrecentyears,asthemultimediainformationtechnologyandnetworktechnologyhighspeeddevelopment,speechsignalisnowadaysindispensabletomultimediaapplication,suchasmediaplay,videomeeting,remotemedicaldiagnosis,andsoon.Withthegreatlyincreasingdataoftelecommunicationandtherapiddevelopmentofdigitalcommunicationnetwork,thecapabilityofstorageandthebandwidthofcommunicationchannelareunderthepressureoflimitedcapability.Inaddition,therequirementofreal一timeprocessingismuchhigherthanbefore.Therefore,researchofeffectivespeechcompressionalgorithmanditshardwareimplementation,inordertoreducethecostofdatatransactionandstorageforhighqualityofspeechcompression,hasgreatsignificanceofscienceandpracticalvalueofapplications.

Thesystemusesthemodulardesignmethods,includingadigitalsignalprocessingTMS320C5409（DSP）asthecoreofdigitalsignalprocessingcircuit,dataprocessingmoduleandothersignalregulatingandsignalpoweramplifiercircuit,andcombinedwiththeCYPRESScompany’sCY7C4225（FIFO）chipandAltera’sCPLDchip（EPM240programmableinterfacecontrollogicchip）tocompletethedataacquisitionsystemlogicsignalcontrolanddataflowofthebuffer.UseDSPhardwarerealizationandimprovetheoperationspeedofthealgorithm,andenhancethesystemofreal-timeprocessingpower.Thesystemincludeshardwarecircuitdesignandsoftwarecontroltwoparts.ThehardwaredesignschemePROTELsoftwareapplicationdatacollectionsystem,everydetailofthecircuithardwarecircuitdesign.Softwareparts,applicationofCCScodedebuggerintegrateddevelopmentenvironmentcompletethealgorithmDSPprogramming,commissioningandvalidation.

Inthispaper,thelowspeedspeechcompressionsystemhardwaredesignprocessaredescribed.ThroughtotheDSPandCPLDcircuits,etcdesignandsoftwareprogrammingofsignalcompressionencodinganddecoding,accordingtothesystemrequirementsforthehardwarerealizationofsignaloftheautomaticgaincontrolcircuitdesignandimplementation,andthedesignofsystemtestandverifytheeffectivenessofthesystemdesign.

KEYWORDS:

lowrate,speechcompression,PROTEL,DSP,CPLD

第一章绪论

1.1研究背景

21世纪的通信在人与人之间、人与机器之间提供高质量的无缝的信息交换手段。

无论何时、何地，以任何方式的通信，语音通信都是最基本、最重要的方式之一。

多媒体信息交换、电视电话会议、可视电话、语音信箱、电子邮件、图像传真、数据等，都是通过语音通信来实现的。

无缝的通信就是用户可以方便地综合使用这些手段，而不影响通信质量，并能随意地把一种通信手段转化为另一种通信手段；高质量是指通信质量不随用户环境及传输媒介的变化而降低，用户使用起来方便快捷。

这取决于信息高速公路的建设和计算机、微电子、材料、网络、通信等诸多关键科学领域的发展，而语音压缩编码是最基本、最重要的技术之一。

这是因为最终产生信息、获取信息的是人，而人是以语音作为主要通信手段的。

话带语音压缩编码领域的研究已有几十年的历史。

近十年来，人们对这一领域的研究兴趣大大增加，已有大量的技术应用远程通信和存储。

一些国家和国际化标准组织相继制定了语音压缩编码的标准，直接推动了语音压缩编码的发展。

家用和专业数字音响取得了商业成功。

在市场牵动下，高保真音频压缩在近几年发展也很快。

在通信系统中为了节省带宽，以及在语音存储系统中节省存储空间，音频信号的压缩编码技术有大幅度的发展，音频带宽也从3.2kHz（200Hz～3.4kHz）的话带发展到7kHz会议电视带宽的语音压缩和20kHz音乐宽带音频信号压缩，尤其是DHDTV（DigitalHigh-DefinitionTelevision）研究开发的AC-3（AudioCompre-ssion-3）方案，因其多声道、立体声等高保真特点，已被美国联邦通信委员会（FFC，FederalCommunicationsCommission）采纳。

在现代通信中，信道利用的有效性和经济性仍是研究的重要目标，低速率语音压缩编码技术是语音通信中不可缺少的一个重要研究方向。

因为在实际通信中，有些信道难以扩展且质量很差，如短波信道；有的信道正被广泛使用，短期内难以更新；有些是在特殊条件下的通信，如强干扰下的军事通信等；还有些信道价格昂贵，节省每一个比特都意味着经济上的好处。

在这些情况下，低速率语音压缩编码极为重要。

随着数字通信业务的发展，高质量的低速率语音压缩编码技术将成为研究的热点，它必将成为研究的热点，它必将在信道扩容、保密通信、个人移动通信、语音存储、多媒体通信、数字数据网（DDN）中的语音通信、IP电话等领域有广泛的应用前景，特别是在信息化战场上，它可广泛应用于单兵作战的通信设备上。

但随着数字通讯网络的飞速发展和通讯数据的日益剧增，存储介质的容量和通信信道的带宽正面临着容量受限问题。

如果采用常规的模/数转换技术对语音信号进行编码，将使数据传输的比特率太高而且数据存储的空间太大。

因此探索和设计有效的数据压缩算法对于降低传输和存储语音的代价具有实际应用意义。

1.2语音压缩技术的发展

语音压缩技术的发展，一直是在用尽可能低的数码率获得尽可能好的合成语音质量的矛盾中发展的。

数码率实质上反映的是频带宽度，降低数码率实质上是压缩频带宽度。

当然随着数码率的降低，相应的算法延迟时间和计算复杂度也要增加。

半个多世纪以来，各国学者做出大量的努力，从人类发音机理和听觉机理出发，对语音的基本元素的声学特性、频谱特征和语意表达等做了大量研究建立了发音模型、听觉模型。

在不同程度上逼近真正的语言过程，并取得了长足的进展，逐步形成了通信和信息处理学科的重要研究方向，所以系统、科学的对语音编码回顾和总结是十分必要的。

自从1939年美国的HomerDudlley发明声码器以来，语音处理开始了参数编码或模型编码的研究，它是以滤波器为主构造的通道声码器。

20世纪六十年代以前，研究出使用的共振峰声码器。

SatoItakura和AtalSchroeder最早把“线性预测（LPC）”技术应用到语音分析和合成。

1966年，J.L.Flanagan提出了以瞬时频率为基础的相位声码器。

1969年，A.V.Oppenheim提出了以倒谱为基础的同态声码器。

在众多声码器当中，LPC声码器终因其成熟的算法和参数的精确估计成为研究主流，并逐步走向实用。

1982年，没过国家安全局（NSA）公布了2.4Kb/s的LPC-10声码器标准（FS-1015）；1984年，美国国防部制定了STU-Ⅲ计划，采用2.4Kb/s的LPC-10e增强型，1986年正式投入使用，这可以说是50年的总结研究。

从1985年B.S.Atal和M.R.Schroeder提出CELP算法以来，闭环分析算法（LPABS）成为主流。

美国国防部公布了4.8Kb/sCELP联邦标准（FS-106）。

欧洲电信管理局（GSM）于1988年公布了13Kb/sRPE-LTP线性预测语音编方案。

1989年，北美蜂窝电话工业组织（CTUA）公布了IS-54，8.8Kb/s矢量和激励线性预测（VESELP）语音编码方案（日本：

6.7Kb/s）。

1992年，CCITT公布了G.72816Kb/s短时延码激励线性预测语音编码（LD-CELP）方案，1995年公布了G.7235.3/6.3Kb/sACELP/MLQ双速率多媒体语音编码标准，1996年公布了G.7298Kb/sCS-ACELP对结构代数码激励的语音编码标准。

在这10年当中，产生了3个国际标准、2个地区标准和2个国家标准，可见语音压缩编码的研究发展之快。

这些算法的共同特点是采用闭环LPABS算法、知觉加权技术、复合窗技术、LSP（LSF）技术、后置滤波技术、增益自适应技术、分数基音内插技术等。

另外，多带激励（MBE）、自适应编码（ATC）和子带编码等语音压缩编码的实用方案也有运用，它们都属于正弦编码。

国际海事卫星组织（Inmarsat）于1990年公布了4.15Kb/s改进型多带激励（IMBE）语音编码标准。

因此，在这10年中，CELP算法是语音压缩编码的主流。

随着第三代移动通信的发展，变速率语音压缩编码技术相应得到发展。

为了充分利用CDMA技术，Qualcomm于1993年提出了可变速率的CELP，通常称为QCELP。

它有4个可供选择的传输速率（1，2，4，8Kb/s），通过计算输入能量，并于三个阈值能量比较来选择传输速率。

这种技术已为北美数字蜂窝通信标准（CTIA-is95）。

1999年公布的第三代伙伴计划（3rdGenerationPartnershipProject）把自适应多速率（AMR）语音编解码作为主要技术。

该技术有8种速率（12.2，10.2，7.95，7.40，6.70，5.90，5.5，4.75Kb/s）拱选择。

并采用语音激活技术（VAD）、舒适背景噪声（CNA）、源控速率（SCR）、重帧及误码消除（ECU）、抗稀疏处理等先进技术。

它根据信道质量选择不同的编码速率，通信质量接近或达到长途电话质量。

变速率语音压缩编码理论上仍属于CELP，在变的基础上引入了相关的先进技术。

随着因特网的发展，更低码率的声码器语音识别声码可以做到600b/s，并且在更深入的研究。

1.3语音压缩技术的现状及发展方向

近年来，低速率语音压缩编码技术在研究思路上有了很大的发展。

2.4Kb/s的语音编码算法逐渐成熟，出现了一些成功的算法，例如多带激励（MBE）声码器、混合激励线性预测（MELP）声码器等。

但是如何在更低的速率上，获得较高质量的合成语音，仍然是一个巨大的挑战。

在进一步降低速率时，由于没有足够比特描述谱包络和残差信号，合成语音质量会受到严重影响。

国内外的一些研究者提出的识别合成型声码器，采用语音识别和合成技术对语音信号以语音基元为编码单位进行编码（语音基元可以是音素、音节和词）。

编码器采用语音识别技术进行语音基元识别和编码，解码器根据收到的语音基元代码串和附加的韵率信息，从原始语音库中取出相应的语音基元并进行韵律特性的修改，合成出语音，这样可以把编码速率降低到1Kb/s以下。

另外一些研究者提出的低速率语音压缩编码算法是在2.4Kb/s线性预测编码（LPC）声码器的基础上，利用矢量量化技术和帧间相关性作进一步的数据压缩。

低速率语音编码传输在语音通信领域占有非常重要的位置，因此其研究成果也层出不穷。

除了目前公认的国际标准外，各种组织和公司也分别在适合研究自己需要的低速率语音编码算法，这些算法可以说是种类繁多、各有所长，并正在出现互相学习和交叉的渗透现象。

目前出现的低速率语音压缩编码最新研究成果有：

1.综合分析同态声码器；

2.2.4Kb/s多带激励线性预测编码（MBE-LPC）语音编码器

3.美国国防部600b/s~800b/s语音编码器；

4.美国国际电话电信公司（ITT）国防通信分公司400b/s高质量语音编码器；

5.法国Thomson-CSF公司的800b/s声码器；

6.ITT航天/通信分公司400b/s语音编码器；

7.加拿大INRS-电信公司450b/s声码器；

8.美国BBN系统和技术公司的300b/s分段声码器。

目前语音压缩编码技术主要有两个努力方向：

一个是中低速率的语音编码的实用化，及如何使用化过程中进一步减低编码速率和提高其抗干扰、抗噪声能力；另一个是如何进一步的降低其编码速率，目前已能在5kb/s-6kb/s的速率上获得高质量的重建语音，下一个目标则是要在4kb/s的速率上获得短延时、高质量的重建语音。

特别是对中长延时编码，人们正在研究其更低速率（如400b/s-1200b/s）的编码算法，在这个过程中当编码速率降至2.4kb/s速率以下时，CELP算法即使应用更高效的量化技术也无法达到预期的指标，需要其它一些更符合低速率编码要求的算法，目前比较好的算法还有正弦变换编码（STC）、混合激励线性预测编码（MELPC）、时频域插值编码（TFI）、基音同步激励线性预测编码（PSELP）等，同时还要求引入新的分析技术，如非线性预测、多精度时频分析技术（包括子波变换技术）、高阶统计分析技术等，这些技术更能挖掘人耳听觉掩蔽等感知机理，更能以类似人耳的特性作语音的分析与合成，使语音编码系统更接近于人类听觉器官的处理方式工作，从而在低速率语音编码的研究上取得突破。

1.4论文安排

本文按照语音压缩系统硬件的设计流程，结合DSP硬件系统，从硬件设计的理论基础，到硬件具体的各个功能模块的设计和仿真验证，最终到DSP系统的硬件实现和调试，阐述了整个系统的设计过程和实验结果。

本文共分六章，具体安排如下：

第一章阐述了课题研究的背景、目的、意义以及目前研究的现状，进而提出本文的主要研究内容及全文的结构安排。

第二章介绍了语音压缩的基本理论。

从系统的设计的采样、数模转换以及信号的编码压缩，从理论上为硬件的设计奠定了基础。

第三章为论文工作的核心，介绍了DSP处理系统的架构与整体系统设计。

根据给定的系统的主要功能以及技术指标，对系统进行了模块化的设计。

分别是信号接收模块、信号处理模块、控制模块以及外围模块等。

第四章介绍系统设计中DSP芯片所用的软件仿真平台——CCS。

第五章介绍了系统的调试方法以及调试情况，根据系统调试的要求和目的，对硬件系统进行了调试，检验低速率语音压缩系统是否可以达到实际的设计和应用要求，验证系统设计的成果。

第六章总结全文，对于毕业设计中所出现的问题以及所取得的成果进行总结。

阐述系统尚存的不足之处和今后继续改进和完善的方向。

第二章系统设计理论基础

2.1语音压缩技术概述

语音压缩技术指的是对原始数字音频信号流运用适当的数字信号处理技术，在不损失有用信息量，或所引入损失可忽略的条件下，压缩信号编码速率，也称为压缩编码。

以生成适合传输的数字信号流，提高传输效率。

这样做的优点在于可以适应在低码率的信道上实现可靠传输，也可以在同样的信道上传输更多的数据。

对语音编码技术中语音质量的评价主要分为两类，客观评定方法和主观评定方法。

其中客观评定方法用客观测量的手段来评价语音编码的质量，其特点是计算简单，但不能完全反映人对语音质量的感觉。

主观评定方法符合人类听话时对语音质量的感觉，因而得到广泛应用。

语音压缩编码，一直是在用尽可能低的数码率获得尽可能好的合成语音质量的矛盾中发展的。

数码率实质上反映的是频带宽度，降低数码率实质上是压缩频带宽度。

当然随着数码率的降低，相应的算法延迟时间和计算复杂度也要增加。

在半个多世纪的研究中，各国学者做出了大量的努力，从人类发音机理和听带机理出发，对语音的基本元素的声学特性、频谱特征和语意表达等做了大量研究，建立了发音模型、听觉模型，在不同程度上逼近真正的语言过程，并取得了长足的进展，逐步形成了通信和信息处理学科的重要研究方向。

在众多的理论和技术中，以各种语音压缩编码标准为基础，研究其历史沿革有事半功倍之效果。

它作为技术标准，至少代表了当时的技术最高水平，是技术成熟完善的标志，同时经过标准的制定，对技术又是一个很好的指导和激励。

目前国际上音频压缩算法主要集中在ISO—MPEG音频编码标准。

MPEG工作组成成立于1988年，在1992年11月完成了它的第一个标准MPEG-1。

采样率为32，44.1，48kHz支持单声道模式、立体声模式、双声道立体声模式、联合立体声模式等4种模式。

目前，语音压缩技术中，较为成熟的是MPEG1-Layer3。

它是一种通用的声音编码技术，对音源的性质没有任何假设，而是利用人耳听觉对语音信号进行压缩，主要