1203030307_dsp语音信号压缩A律

摘要
本文简要阐述了语音信号压缩A律的基本原理，可以将高位的数据压缩成低位的数据，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压缩系数，然后在CCS中以TMS320C55x芯片的汇编语言编程实现了该语音信号压缩。

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

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，所设计的语音信号压缩符合设计要求。

关键词：DSP；语音信号压缩；MATLAB；Code Composer Studio(CCS)；TMS320C55x
目录
1 语音信号压缩A律设计任务及目的 (1)
1.1 语音信号压缩A律设计任务 (1)
1.2语音信号压缩A律设计目的 (1)
2 TMS320C55X的硬件结构 (1)
2.1 C55X的CPU体系结构 (1)
2.2 指令缓冲单元（I） (2)
2.3程序流程单元（P） (2)
2.4地址程序单元（A） (2)
2.5数据计算单元（D） (3)
4 语音信号压缩（A律）原理 (3)
5 CCS概述 (6)
6语音信号压缩（A律）软件实现 (7)
6.1软件实现步骤 (7)
6.1.1软件程序 (7)
6.1.2实现步骤 (10)
6.1.2运行并观察结果 (11)
6.2结果分析 (12)
7结论 (12)
8参考文献 (12)
1 语音信号压缩A律设计任务及目的
1.1语音信号压缩A律设计任务
（1）完成语音信号采集；
（2）对语音信号进行A律压缩；
（3）传输压缩后的信号；
1.2语音信号压缩A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压缩，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。

2 TMS320C55X的硬件结构
2.1 C55X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。

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。

4 语音信号压缩（A律）原理
PCM（Pulse Code Modulation）编码即脉冲编码调制，也就是将模拟信号转换为数码，然后再转换成二进制数字信号的方法。

几种常见的二进制编码格式如下：
表4.1常见的二进制编码格式
A 律压缩编码压缩码是CCITT （Consultative Committee for International Telegraph and Telephone ）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。

A 律压缩的数学解析式为： y = {
LnA A +1x ，⎪⎭⎫ ⎝
⎛
≤≤A x 10，
y = {
LnA ++1Ln(Ax)1,⎪⎭
⎫
⎝⎛≤≤11x A 。

式中：y 为输出信号；x 为输入信号；A 为压缩系数。

由上式得知，小信号时为线性特性，大信号时近似为对数特性。

这种压扩特性常把压缩、量化和编码合为一体。

A 律可用13段折线逼近(相当于A=87.6)，便于用数字电路实现。

13段折线的压缩特性如图1所示。

图3.2分段为x 取正值时的情况，而x 取负值时，压扩特性与x 取正值成奇对称，在正8段和负8段中，正1、2段和负1、2段斜率相同，合为一段，所以原来的16段折线变为13段折线。

图4.1 A 律压缩曲线
图3.3是DSP 进行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；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，供其他设备读取。

图4.2 DSP 进行数据压缩解压的简单流程
表4.2 A 律数据压缩表
12位码（十进制） 量
阶
符号位
段落码（二进制） 段内码（二进制） 0～15 1 0 000 0000～1111 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 0000～1111 256～511
16
0 101
0000～1111
RSR
RBR
压缩
RJUS
DRR
CPU
32
16
B
DR
XSR
压缩
DXR
CPU
B
16
在进行A律压缩时，对于采样到的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。

具体的编译码表如表5.2所示。

压缩后的数据的最高位（第7位）表示符号，量阶分别为1、1、2、4、8、16、32、64，由压缩后数据的第6位到第4位决定，第3位到第0位是段内码。

压缩后的数据有一定的失真。

有些数据不能表示出，只能取最近该数据的压缩值。

例如，数据125，压缩后的值为00111111，意义如下：
最终结果为64＋4×15＝124 ，实现了压缩。

5 CCS概述
CCS，即Code Composer Studio，是TI公司在1999年推出的一个开放、具有强大集成开发环境。

它最初是由GO DSP公司为TI的C6000系列DSP开发的。

在TI收购了GO DSP 后，将CCS扩展到了其它系列。

现在所有TI的DSP都可以使用CCS进行开发，但是其中的DSPBIOS功能只有C5000和C6000的CCS中才提供。

以前的DSP软件开发都是在一个分散的开发环境下进行，程序的编写、代码的生成以及调试等都是要通过命令来完成，类似于以前的DOS，十分烦杂。

而CCS的出现是DSP开发软件的一次革命性的变化。

CCS主要由代码生成工具、CCS集成开发环境、DSPBIOS和API函数以及RTDX组成。

CCS提供了基本的代码生成工具，它们具有一系列的调试、分析能力。

CCS支持如下所
示的开发周期的所有阶段。

图5.1 CCS开发周期阶段
CCS提供了配置、建立、调试、跟踪和分析程序的工具，它便于实时、嵌入式信号处理程序的编制和测试，它能够加速开发进程，提高工作效率。

集成可视化代码编辑界面，可以方便地直接编写C、汇编、.h文件、.cmd文件等。

集成代码生成工具，包括汇编器、优化的C编译器和连接器等。

具有完整的基本调试工具，可以载入执行文件(.out)，查看寄存器窗口、存储器窗口和变量窗口、反汇编窗口等，支持在C源代码级进行调试。

支持多片DSP联合调试。

断点工具，支持硬件断点、数据空间读/写断点、条件断点等。

探针工具，用于进行算法仿真，数据监视等。

剖析工具，用于评估代码执行的时间。

数据图形显示工具，可绘制时域/频域波形、眼图、星座图等，并可以自动刷新。

提供GEI工具，用户可以根据需要编写自己的控制面板/菜单，从而方便直观地修改变量，配置参数。

6 语音信号压缩（A律）软件实现
6.1软件实现步骤
6.1.1软件程序
1.信号压缩算法------“Alaw.c”
#include<math.h>
char i=0;
unsigned int sign,segment,quant,absol;
unsigned int nOutput;
unsigned char IntToaLaw(int nInput)
{
unsigned int temp;
unsigned char cOutput;
absol=abs(nInput);//取绝对值
sign=(nInput >= 0)?0:1;//符号位
temp=absol<<3;
while(1)
{
nOutput=temp&0x8000;
if(nOutput) break;//碰到1就退出
temp<<=1;
i++;
if(i==8) break;
}
if(i<8)
{
temp&=0x7800;//保留段内码
quant=temp>>11;//段内码
segment=8-i;//段落码
nOutput=(segment<<4)+quant; }
else
{
temp&=0x7fff;
nOutput=temp>>11;
}
if(sign)
nOutput|=(1<<7);
cOutput=(unsigned char)nOutput;
return cOutput;
}
2.主程序------“c55_fira.c”
#include<math.h>
#define SIGNAL1_F 200
#define SIGNAL2_F 640
#define SALMP_F 2000
#define COFF_L 23
#define BUF_L 256
#define PI 3.1415926
int temp;
unsigned char utemp;
extern unsigned char IntToaLaw(int);
//extern int aLawToInt(unsigned char);
int data_in[BUF_L];
int data_out[BUF_L];
int k=0;
void main(void)
{
while(1)
{
utemp=IntToaLaw(32);
//temp=aLawToInt(utemp);
data_out[k]=temp; //设置断点
k++; //设置断点
if(k>=BUF_L) k=0; //设置断点
}
}
6.1.2实现步骤
1准备
设置c55xx软件仿真模式，连接好DSP开发系统，并启动CCS。

2新建工程
首先新建工程文件xxx,然后将程序写入工程文件中，并保存。

CCS工程界面如图所示：
图6.1
3编译链接并装载程序
把文件添加到工程中后，再对文件进行编译链接，生成.out文件，然后装载输出文件。

4设置信号压缩观察窗口
在菜单中选择view---watch window,并在watch1窗口中name栏设置观察输出数据，即utemp，并设置为十六进制观察数据。

5设置断点
在程序有注释断点处设置软件断点。

6.1.2运行并观察结果
运行前：
图6.2
运行后：
图6.3
6.2结果分析
输入被压缩数据为32，即0000100000，运行后获得压缩之后数据位0x0010h,经验证，数据压缩正确。

7 结论
此类压缩是一种最简单的线性位压缩方式，可以将高位的数据压缩成低位的数据，它适用于声音信号的播放和传输系统，但采集和播放音乐信号时采用高位的AD和DA可得到较好的音乐效果，但传输或保存声音信号时，可压缩存储，从而在同样的存储空间上存储较长时间的语音信号，现在很多简单的录音设备就采用这种方式，但A率压缩率不高，而且压缩的失真是固定的，不能通过算法提高，所以在较为复杂的语音设备中应用较少。

8参考文献
[1]姜阳，周锡青.DSP原理与应用实验.西安：西安电子科技大学出版社，2008
[2]TMS320C55X DSP Programmer’s Guide SPRU376A[Z] . TexasInstrume nts,
2001
[3]TMS320C55XD SPAssembly Language Tools User’s Guide SPRU280H[Z] . Texas Instruments, 2004
[4]程佩青，数字信号处理教程第二版，清华大学出版社，2001.8
[5]李利.DSP原理及应用实用技[M].北京：中国水利水电出版社，2004。