语音压缩存储与回放实验报告

DSP课程设计实验报告语音压缩、存储和回放目录一、设计任务书封面 (1)二、设计内容与要求 (3)三、设计算法原理说明 (4)四、程序设计、调试与结果分析 (7)CMD程序，C语言程序 (7)调试过程 (15)波形与数据显示 (16)五、设计（安装）与调试的体会 (17)六、参考文献 (18)语音的压缩、存储与回放一、设计要求与目标（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。

（4）使用指示灯对语音存储和回放过程进行指示。

发挥部分：使用多种算法进行语音的压缩、存储和解压缩，比较它们之间的优缺点。

二、实验目的1、通过本实验掌握5402DSP片上外设多通道缓冲串行口mcbsp。

2、学习掌握tlc320ad50CODEC编译码器的内部结构、工作原理。

3、学习A律语音压缩以及C语言下的编程方法。

三、实验原理1．语音采集与输出模块语音采集与输出模块采用的是TI公司推出的一款高性能的立体声音频Codec芯片TLC320AD50C，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN两种输入方式（二选一），且对输入和输出都具有可编程增益调节。

AD50的模数转换（ADCs）和数模转换（DACs）部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma－delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB和100dB。

与此同时，AD50还具有很低的能耗，回放模式下功率仅为23mW，省电模式下更是小于15uW。

由于具有上述优点，使得AD50是一款非常理想的音频模拟I/O器件，可以很好的应用在随声听（如CD，MP3……）、录音机等数字音频领域[2]。

由TLC320AD50C组成的语音输入与输出模块不仅采样率高最高可达96K，且外围电路简单，性价比高。

2．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（Pulse code modulation），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。

国际上有两种非均匀量化的方法：A律和u律，u律是最常用的一种。

在美国，7位u 律是长途电话质量的标准。

而我国采用的是A律压缩，而且有标准的A律PCM编码芯片。

（3）DPCM&ADPCM：降低传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。

相邻的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得到压缩。

因为差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。

这种编码叫Differential PCM,简称DPCM，即差分脉冲编码调制。

ADPCM即自适应差分脉冲编码调制，是包括短时预测的编码系统。

CCITT（国际电报电话咨询委员会）在1984年提出的32 kbit/s的编码器建议就是采用ADPCM作为长途传输中的国际通用语音编码方案。

这种ADPCM编码方案达到64 kbit/s PCM的语音传输质量，并具有很好的抗误码性能。

（4）a律压缩a律压缩示意图A律压缩编码表采用DSP可以直接对PCM编码后的语音信号进行μ律和A律压缩。

图1是DSP硬件实现数据压缩解压的简单流程，DSP将传输来的压缩后的数据进行解压成16位或者32位，然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压缩成8位的数据格式输出到相应设备，供其他设备读取。

图1 数据压缩解压流程图2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6．711的A律压缩只能对13位数据操作。

DSP将解压后的数据放在缓冲串口的发送寄存器中，只要运行发送指令，缓冲串口就会将数据发送出去。

缓冲串口对接收数据的解压过程和压缩过程完全相反。

图3是μ律数据解压的示意图。

图2 A律数据解压图3 μ律数据解压DSP内部的缓冲串口（McBSPs）带有硬件实现的μ律／A律压缩解压，用户只需要在相应寄存器中进行设置就可以了。

在进行A律压缩时，采样后的12位数据，默认其最高位为符号位，压缩时要保持最高位即符号位不变，原数据的后11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。

具体的压缩变换后的数据根据后11位数据大小决定。

表2 A律数据压缩表除对串行口数据实现压扩处理外，这套硬件在McBSP不使用时还可以当作一个特殊的处理单元对内部数据实现压扩处理，他有两种实现方法。

法一：当串行口的发送和接受部分都处于复位状态时，DRR1和DXR1内部通过压扩逻辑连接在一起，数据从DXR1写入并根据XCOMPAND处理，然后根据RCOMPAND再处理，在4个CPU时钟后从DRR1中读出数据。

该处理比软件实现快，不利之处在于处理完后没有同步信息通知CPU和DMA。

法二：在数据环回模式下，McBSP也实现了一种内连。

数据处理与第一种方法相同，但它可以提供中断信号（或同步事件）给CPU（或DMA）。

这里数据处理的时间是根据串行口的比特律确定的。

另外，在通常情况下McBSP先传输信号的高位后传输低位，但是在字长为8比特的数据传输时，McBSP提供了比特倒序的功能，即可以先传输低位后传输高位。

在本实验中，我们通过软件编程来完成线性码转换成A律。

语音信号通常是小信号概率大，大信号出现的概率小，为提高小信号时的量化信躁比，压缩比特速率，可为非线性量化。

语音压缩是把16位的数据比特转化为8位数据比特，从而到达语音压缩的目的。

在主程序中通过A/D抽样量化，可以得到16位的线性编码，再由编码表通过软件计算得到8位A律编码，其中最高位为符号位，第6位到第4位为段落码，低4位为段内码。

将8位的压缩结果存储到系统RAM中进行缓存，根据抽样率、语音存储时间以及系统RAM 的容量设置语音存储缓冲区的大小，待缓冲区存满后，将缓冲区内的数据进行解压缩，然后输出到SPEAKER接口输出端。

若使用A/D转换器，必须首先对A/D转换器进行初始化设置，即设置A/D转换器的工作模式、输入增益以及抽样频率等。

3．程序设计（1）、程序流程存储器的分配（5402.cmd）MEMORY{PAGE 0: VECS: origin = 0080h, length = 0080h /* Internal Program RAM */ PRAM: origin = 7600h, length = 8000h /* Internal Program RAM */PAGE 1: SCRATCH: origin = 0060h, length = 0020h /* Scratch Pad Data RAM */ DMARAM: origin = 0C00h, length = 0300h /* DMA buffer */DATA: origin = 1100h, length = 0080h /* Internal Data RAM */ STACK: origin = 1180h, length = 0560h /* Stack Memory Space */ INRAM: origin = 1900h, length = 0100h /* Internal Data RAM */ HPRAM0: origin = 1A00h, length = 0002h /* HPI memory accessible by Host and DSP */HPRAM1: origin = 1A02h, length = 0280h /* HPI memory accessible by Host and DSP */HPRAM2: origin = 1C82h, length = 0280h /* HPI memory accessible by Host and DSP */EXRAM: origin = 1F10h, length = 9000h /* External Data RAM */SECTIONS{.cinit > PRAM PAGE 0.text > PRAM PAGE 0.vectors > VECS PAGE 0init_var > PRAM PAGE 0detect > PRAM PAGE 0vrcprg > PRAM PAGE 0matprg > PRAM PAGE 0.stack > STACK PAGE 1.trap > SCRATCH PAGE 1.const > EXRAM PAGE 1.data > EXRAM PAGE 1.bss > EXRAM PAGE 1.cio > EXRAM PAGE 1.switch > EXRAM PAGE 1tables > EXRAM PAGE 1var > EXRAM PAGE 1svctab > EXRAM PAGE 1 /* SS_V LSP table */vctab > EXRAM PAGE 1 /* V LSP table */uvctab > EXRAM PAGE 1 /* UV LSP table */cuvtab > EXRAM PAGE 1 /* Stochastic codebook */cdbktab > EXRAM PAGE 1 /* various codebook tables*/logtab > EXRAM PAGE 1 /* table for log2 */powtab > EXRAM PAGE 1 /* table for pow2 */hamtab > EXRAM PAGE 1 /* table for hamming */lgwtab > EXRAM PAGE 1 /* table for lag window */acostab > EXRAM PAGE 1 /* table for arccos */sqrtab > EXRAM PAGE 1 /* table for square root */acbtab > EXRAM PAGE 1 /* table for thresholds in acb */pm03tab > EXRAM PAGE 1 /* table for x^(-0.3) computation */ costab > EXRAM PAGE 1 /* table for cosine */V23 > INRAM PAGE 1FSK > INRAM PAGE 1hpibuff0 > HPRAM0 PAGE 1hpibuff1 > HPRAM1 PAGE 1hpibuff2 > HPRAM2 PAGE 1dma_buff > DMARAM PAGE 1}/*主程序设计*//*语音采集及回放程序*//*用A律进行压缩及解压*//*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 <type.h> /* 头文件*/#include <board.h>#include <codec.h>#include <mcbsp54.h>/* 宏定义 */#define SIGN_BIT (0x80) /* Sign bit for a A-law byte. */#define QUANT_MASK (0xf) /* Quantization field mask. */#define NSEGS (8) /* Number of A-law segments. */#define SEG_SHIFT (4) /* Left shift for segment number. */ #define SEG_MASK (0x70) /* Segment field mask. *//* 函数声明 */void delay(s16 period);void led(s16 cnt);void initcodec(void);void flashenable(void);unsigned char data2alaw(s16 pcm_val);int alaw2data(unsigned char a_val);static int search(int val,short *table,int size);/* 全局变量 */HANDLE hHandset;s16 data;s16 data1;u16 i=0;u16 temp1;u16 j=0;u16 k,l=0;u8 temp2;u16 buffer[20000];static short seg_end[8]={0x1F,0x3F,0x7F,0xFF,0x1FF,0x3FF,0x7FF,0xFFF};/* 主函数 */void main(){if (brd_init(100))return;led(2); //闪灯两次initcodec(); //初始化codecflashenable(); //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,*(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC));delay(20);}brd_led_toggle(BRD_LED1);delay(200);for(i=0x9000;i<0xefff;i++){*(volatile u16*)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 = *(volatile u16*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC); //从handset处读取采样 temp1=data2alaw(data); //对采样进行a律压缩/* 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=abcdefgh00000000buffer[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{temp2=buffer[l]&0x0ff;l++;}if(l>=20000)l=0;data1=alaw2data(temp2); // a律解压while (!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)) {};*(volatile u16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC) = data1;//将数据写入D/A转换器}/* 放音结束 */brd_led_toggle(BRD_LED0);brd_led_toggle(BRD_LED1);}}} //主程序结束/* 子函数 *//*******延时******/void delay(s16 period){int i, j;for(i=0; i<period; i++){for(j=0; j<period>>1; j++);}}/*******闪灯******/void led(s16 cnt){while ( cnt-- ){brd_led_toggle(BRD_LED0); //切换LED指示灯0的显示状态delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED1);delay(1000);brd_led_toggle(BRD_LED2);delay(1000);}}/*****初始化codec**/void initcodec(void){/* Open Handset Codec获取设置codec的句柄*/hHandset = codec_open(HANDSET_CODEC); / Acquire handle to codec/* Set codec parameters */codec_dac_mode(hHandset, CODEC_DAC_15BIT); // DAC in 15-bit modecodec_adc_mode(hHandset, CODEC_ADC_15BIT); // ADC in 15-bit modecodec_ain_gain(hHandset, CODEC_AIN_6dB); // 6dB gain on analog input to ADC codec_aout_gain(hHandset, CODEC_AOUT_MINUS_6dB);// -6dB gain on analog output from DAC codec_sample_rate(hHandset,SR_8000); // 8KHz sampling rate}/*****设置flash****/void flashenable(void){CPLD_CTRL2_REG|=0x0010;CPLD_DMCTRL_REG|=0x0040;}/*****a律压缩******/unsigned char data2alaw(s16 pcm_val){int mask;int seg;unsigned char aval;if (pcm_val >= 0){mask = 0xD5; // 标记 (7th) bit = 1 }else{mask = 0x55; // 标记 bit = 0pcm_val = -pcm_val;}// Convert the scaled magnitude to segment number.seg = search(pcm_val, seg_end, 8);// Combine the sign, segment, and quantization bits.if (seg >= 8) // out of range, 返回最大数.return (0x7F ^ mask);else{aval = seg << SEG_SHIFT;if (seg < 2)aval |= (pcm_val >> 1) & QUANT_MASK;elseaval |= (pcm_val >>seg) & QUANT_MASK;return (aval ^ mask);}}/****alaw的子程序**/static int search(int val,short *table,int size){int i;for (i = 0; i < size; i++){if (val <= *table++)return (i);}return (size);}/*****a律解压******/int alaw2data(unsigned char a_val){int t;int seg;a_val ^= 0x55;t = (a_val & QUANT_MASK) << 4;seg = ((unsigned)a_val & SEG_MASK) >> SEG_SHIFT;if(seg==0){t += 8;t=(t>>3);}if((seg<4)&&(seg>0)){t +=0x108;t=(t>>(4-seg));}if(seg>3){t+=0x108;t=(t<<=(seg-4));}return ((a_val & SIGN_BIT) ? t : -t);}/* 结束 */四．操作过程1．将工程文件夹放入C盘要求目录下。