基于TMS320C5402的CVSD编解码实时实现

第１８卷第５期　２００８年１０月　北华航天工业学院学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｔ￣ｉｎｅｅｒｉｎ　Ｖ０１．１８　Ｎｏ．５　０ｃｔ．２００８　基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２的ＣＶＳＤ编解码实时实现　李　利　杨红强　高　山　（１．北华航天工业学院，河北廊坊０６５０００；２．衡水学院数学系，河北衡水０５３０００）　摘要：本文讨论了连续可变斜率增量调制（ＣＶＳＤ）语音编解码算法的原理及其特点，并在ＭＡＴＬＡＢ中进行　了仿真，结果表明，选择合适的量阶初值，量阶能够自动地随输入信号平均斜率的大小而连续变化，解码后的　输出能够很好的逼近原始输入语音信号。最后，讨论了连续可变斜率增量调制算法（ＣＶＳＤ）在ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２　实时实现过程中软、硬件的设计。　关键词：连续可变斜率增量调制；数字信号处理器；语音处理　中图分类号：ＴＮ４０３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—７９３８（２００８）Ｏ５—０００１—０３　０前言　是：用多个连续可变斜率的线段来逼近语音信号，当　线段斜率为正时，对应的数字编码为１；当线段斜率　为负时，对应的数字编码为０。ＣＶＳＤ编码框图如　增量调制是在ＰＣＭ方式的基础上发展起来的　一种模拟信号数字传输的方法，ＰＣＭ采用多位二进　制代码表示模拟信号抽样值的大小，而增量调制只　需用一位二进制码来表示相邻抽样值的相对大小，　因此可以大大降低编码速率。但是普通增量调制的　图１所示。语音信号ｓ（ｔ）经采样得到数字信号ｓ　（　），数字信号ｓ（ｎ）与积分器输出信号ｇ（ｎ）比较　后输出偏差信号ｅ（ｎ），偏差信号经判决后输出数字　量阶在整个编码过程中是固定不变的，所以其信号　动态范围很小，而且会引起两类失真，一类是斜率过　载失真，它是由于所用量阶太小，译码波形不能充分　编码ｙ（／ｔ＇），同时该信号作为积分器输出斜率的极　性控制信号和积分器输出斜率大小逻辑的输入信　号。在每个时钟周期内，若语音信号大于积分器输　出信号，则判决输出为１，积分器输出上升一个量阶　跟踪输入语音信号急剧的变化而必然产生的失真；　第二类为颗粒失真，在没有语音的无声状态或者信　号幅度为固定值时，量化输出将呈现０，１交替的序　列，它给人粗糙的噪声感觉。为了减小失真很好地　跟踪信号的变化，必须使用较高的采样频率，一般要　；若语音信号小于积分器输出信号，则判决输出为　０，积分器输出下降一个量阶　。ＣＶＳＤ译码框图如　图２所示。在每个时钟周期内，数字编码ｙ（ｎ）被送　到连码检测器，然后送到斜率幅度控制电路以控制　积分器输出斜率的大小。若数字编码Ｙ（　）输人为　１，则积分器的输出上升一个量阶　；若数字输人为　求在２００ｋＨｚ以上，这样势必增加语音信号编码速　率，因此减小语音编码速率和提高语音质量互相矛　盾。ＣＶＳＤ就是为了解决这对矛盾提出来的方法，　０，则积分器的输出下降一个量阶　，这相当于编码　过程的逆过程。积分器的输出通过低通滤波器滤波　后将重现了输人语音信号‰（ｔ）。　它的量阶随着输入语音信号平均斜率大小而连续变　化，使其适应信源信号的短时特性，从而可以很好地　跟踪输入信号，可以用较低的采样频率得到较好的　语音编码质量。　１　ｃ、，ｓＤ工作原理　．　ＣＶＳＤ是一种量阶　随着输人语音信号平均斜　率大小而连续变化的增量调制方式，它的工作原理　基金项目：河北省教育厅基金项目（２００５３５１）　收稿日期：２００８—０９—０２　作者简介：李利（１９６７一），女，教授，硕士，河北保定人，主要　图１　ＣＶＳＤ编码框图　１一　从事数字信号处理、通信技术方面的教学与科研工作。　一２００８年１Ｏ月　北华航天工业学院学报　第１８卷　编码中积分器系统函数为　㈦＝　Ｈ２ｏ（ｚ）＝　苦　（２）　（３）　解码中积分器系统函数为　式中，Ｇ　、Ｇ：。和Ｇ　。为增益因子，Ｇ。、Ｇ：。设为　图２　ＣＶＳＤ译码框图　可见输入信号的波形上升越快，输出的连“１”码　１，Ｇ２Ｄ为１．５０９２４５；系数口ｌ、ｂｌ、ｂ２和ｃ１分别为　越多，同样下降越快连“Ｏ”码越多，ＣＶＳＤ编码能够　０．９８４４９６４，１．２７０８２１，一０．３２０１９４，０．５０９２４５。　很好的反应输入信号的斜率大小。为使积分器的输　译码中音频滤波器用ＩＩＲ数字低通滤波器来代　出能够更好的逼近输入语音信号，量阶　随着输入　替。由于音频滤波器主要考虑通带边界的下降应越　语音信号斜率变化，当信号斜率绝对值很大，编码出　快越好，所以选用５阶椭圆滤波器，其参数为：采样　现３个连１或连０码时，则量阶　加一个增量　。，当　率１６ｋＨｚ，通带截止频率３．４ｋＨｚ，阻带截止频率３．８　不出现上述码型时，量阶则不变。语音具有很大的　ｋＨｚ，阻带衰减为３０．５３８９４ｄＢ［　］［　］『　，得到滤波器系　相关性，即从一个样值到另一个样值，信号不发生迅　数为　速的变化，人的话音音量变化呈现频率大约为　ｂ＝［０．１０８２　０．１６７６　０．２７４６　０．２７４６　１００Ｈｚ的包络，而音量的变化反映了斜率的变化，因　０．１６７６　０．１０８２］　此可以以音节为单位对话音信号进行量阶自适应。　ａ＝［１．００００　—１．１３２１　１．８８２０　—１．１８６７　这里的“音节”（ｓｙｌｌａｂｉｃ）是指语音斜率相对稳定的时　０．７２４８　—０．１８７３］　间，即音量变化的一个周期，大约ｌＯｒｅｓ。因为最大　可以看出，ＣＶＳＤ采用１ｂｉｔ输出简化了复杂的　跟踪速度为　／Ｔｓ，其中Ｔｓ为采样频率的倒数。当　帧结构。并且由于其量阶、预测值的获得是通过积　信号斜率超过８／Ｔｓ时，信号始终大于本地译码信号　分得到，当出现比特错误时，对鳃码输出样值的影响　或小于本地译码信号（向负方向变化），所以出现连　较小。所以ＣＶＳＤ对于比特错误（信道噪声）的鲁　“１”或连“０”。一旦出现三个连“ｌ”或连“０”，三连码　棒性很强。ＣＶＳＤ的误比特率效果可达到甚至超过　检测电路将输出一个一致脉冲送往平滑电路。平滑　ＰＣＭ和ＡＤＰＣＭ，甚至当误比特率高达１０％时仍能　电路实际上是一个积分电路，它的时间常数与语音　保持较好的可懂度。ＣＶＳＤ的这些特点使其成为许　信号的音节相近（１０ｍｓ左右）。量阶随音节时间间　多无线语音通信应用如数字无绳电话、数字陆地移　隔内信号平均斜率而变化，且随脉冲幅度调制器输　动电台等的理想选择。　出连续可变，所以则称为连续可变斜率增量调制，记　作ＣＶＳＤＥ２］。　２　ＣＶＳＤ的ＭＡＴＬＡＢ仿真　初始量阶　（０）和增量　的选择很重要，如果　ＣＶＳＤ系统的采样速率一般取３２ｋ、１６ｋ或者　（０）选择较小，会导致刚开始一段很长时间内量化　８ｋ，其中１６ｋＣＶＳＤ的采样速率既能满足话音清晰　度的要求，又能实现较高的压缩比，广泛应用在各种　的数字信息和输入信号之间存在较大的失真，需要　通信系统中，尤其是军用通信系统中。欧洲通信组　经过较长时间才能够跟踪上输入信号，即产生过载　织给出了模拟１６ｋＨｚ　ＣＶＳＤ编码中各传输函数及其　噪声。另一方面，为了减少颗粒噪声，则需要选取较　他部分的参数，音节积分器的时间常数选为４ｍｓ，主　小的　，所有的量阶都要求满足上述条件，故　（０）　积分器时间常数约为ｌｍｓ，采样周期为（１／１６）ｍｓ。　也必须满足，所以　（０）应取最佳的值。　不能过　用冲激不变法可以得到ｚ域的传输函数。在设计　大或过小，　。要比　（０）小一些。仿真中　（０）取为　的１６Ｋｂｐｓ全数字ＣＶＳＤ中，音节平滑滤波器系统　２０，　。取为　（Ｏ）／２。　函数为　利用ＭＡＴＬＡＢ对ＣＶＳＤ的编译码过程进行仿　（１）　真，时域仿真波形如图３所示，上面为原始语音波　形，下面为译码后的语音波形。图４为语音信号频　一２一　第５期　李利等：基于ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２的ＣＶＳＤ编解码实时实现　２００８年１０月　谱图，上面为原始语音频谱，下面为译码后的语音频　之后通过中断方式传送给ＤＳＰ，每一次中断直接读　谱，由仿真结果看出，经过ＣＶＳＤ编译码后语音信　取ＡＤＣ的输出值，对其做需要的处理　］。　号能够较好地重现输入信号。　软件编程要完成的工作包括：　１）ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２串口的初始化。首先将　ＤＳＰ串口０复位，再对串口０的１６个寄存器进行　编程，使ＤＳＰ串口工作在以下状态：以ＳＰＩ模式运　行，每帧一段，每段一个字，每字ｌ６位，采样率发　生器由ＤＳＰ内部产生，帧同步脉冲低电平有效，并　且帧同步信号和移位时钟信号由外部产生。接收　图３原始语音信号及解码后语音时域波形　Ａ／Ｄ转换的信号和发送Ｄ／Ａ转换的信号均采用中　断方式。　２）ＡＤＳ０初始化。该初始化操作过程包括通过　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２的同步串口发送两串１６位数字信息　到ＡＤ５０。第一串为００００　００００　００００　０００１Ｂ，最低有　０　１０００　２０ｏ０　３０００　４０００　ｘ１０　效位（ｂｉｔｓ０）说明下一个要传输的数据字属于二次通　信。第二个数据值用来对ＡＤ５０的４个数据寄存器　的某一个进行配置。Ｂｉｔｓｌ５一ｌ１位为０，ＢｉｔｓｌＯ　８　位为所选寄存器地址值，Ｂｉｔｓ７—０位为所选中寄存　图４原始语音信号及解码后语音频谱　器的编程值。在以下程序中对４个可编程寄存器编　３　ＣＶＳＤ的ＤＳＰ实时实现　程，使ＡＤ５０Ｃ工作在以下状态：选择ＩＮＰ／ＩＮＭ为工　本课题使用音频接口芯片ＴＬＣ３２０ＡＤ５０Ｃ（以　作模拟输入，１５＋１位ＡＤＣ和ｌ５＋１位ＤＡＣ模式，　下简称ＡＤ５０Ｃ）采集和播放语音信号。ＡＤ５０Ｃ使用　不带从机，采样频率为１６ＫＨｚ，模拟信号输入放大　过采样（ｏｖｅｒ　ｓａｍｐｌｉｎｇ）∑一Ａ技术提供ｌ６位Ａ／Ｄ　增益１２ｄＢ，输出放大增益为０ｄＢ。四个寄存器初始　和Ｄ／Ａ低速信号转换，工作方式和采样速率均可由　化需要四个主通信和次通信。　ＤＳＰ编程设置。　３）用户代码的编写。完成音频信号采集、　ＴＭｓ３２０ｃ５４０２缓冲通道串口与ＡＤ５０Ｃ相连。　ＣＶＳＤ编解码及解码后语音的回放。　硬件连接采用ＡＤ５０Ｃ为主控模式（Ｍ／Ｓ＝１），向　ＴＭ￥３２０Ｃ５４０２　ＴＬＣ３２０ＡＤ５ＯＣ　Ｃ５４０２的ＭｃＢＳＰ０（从设备）提供ＳＣＬＫ（数据移位时　ＦＳＸ０　ＦＳＲ０　：　Ｔ　ＦＳ　钟）和Ｆｓ（帧同步脉冲），并控制数据的传输过程。　ＣＬＫＲＯ　ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２工作于ＳＰＩ方式的从机模式，　ＣＬＫＸ０　二　Ｔ　一　ＳＣＬＫ　ＦＣ　ＣＬＫＸ０和ＦＳＸ０为输入引脚，在接收数据和发送数　ＤＸ０　ＤＩＮ　ＭＣＬＫ　据时都是利用外界时钟和移位脉冲。Ｃ５４０２与　ＤＲＯ　Ｄ０ＵＴ　ＡＤ５０Ｃ的硬件连接如图４所示。　图５　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２与ＡＤ５０Ｃ的连接　Ｃ５４０２的ＭｃＢＳＰ０与ＡＤ５０Ｃ间的通信信号包　４结语　括ＤＯＵＴ、ＤＩＮ、ＳＣＬＫ、ＦＳ。为了使数据和控制信　本文介绍了连续可变斜率增量调制（ＣＶＳＤ）语　号能在同一串行口中传输，采用了两种通信模式：主　音编解码算法的原理，以１６ｋｂｉｔ／ｓ的编码速率在　通信模式和次通信模式。主通信专用于转换数据的　ＭＡＴＬＡＢ中进行了仿真，仿真结果表明，解码后的　传送，主通信发生在每个数据转换期间。次通信只　输出能够很好的逼近原始输入语音信号。最后给出　有在被请求时才会进行，本实例采用软件次通信请　了采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２实现实时ＣＶＳＤ　求方式，所以ＦＣ端接地。　编解码的方案，实际应用表明通话效果良好。　ＡＤ５０对输入的语音信号进行采集、Ａ／Ｄ转换，　（下转第１７页）　一３一　第５期　戴永成等：基于ＤＳ１８Ｂ２０的数字温度测量仪　２ｏ０８年ｌＯ月　能较好地解决传统测温装置普遍存在的携带不便、　易损坏、易受干扰等不足，可广泛的应用于工业控制　中的各种温度监控。　参考文献：　［１］陈明，邱超凡．基于ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器的设计与　实现［Ｊ］．现代电子技术，２００８，（０８）：１８８—１８９．　［２］胡辉．单片机原理与应用［Ｍ］．北京：中国水利水电出版　社，２００７．　［３］廖琪梅，韩彬．基于单总线器件ＤＳ１８Ｂ２０的温度测量仪　［Ｊ］．国外电子元器件，２００８，（０２）：２４—２６．　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＤＳ１８Ｂ２０　ＤＡＩ　Ｙｏｎｇ・・ｃｈｅｎｇ　ＨＵ　Ｌｉ・－ｐｉｎｇ　ＧＵＯ　Ｙａｎ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｇ￣ｎｇ　０６５０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｏｎｅ　ｈｎｅ　ｔｙｐｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ，　ＤＳ１８Ｂ２０，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ｉｔｓ　ｗｏｒｋ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＡＴ８９Ｓ５１，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｅｌｃｔｒｉｅｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＤＳ１　８Ｂ２０；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　）　、０ｐ　）　）　）　、　）　）　（上接第３页）　参考文献：　［１］李欣，臧笛，罗程．ＣＶＳＤ编码／译码器在语音系统中的应　用［Ｊ］．电子与自动化，１９９９，（３）：３２—３６．　［２］杨威，金强．ＣＶＳＤ编码原理及其在ＤＳＰ　Ｂｕｉｌｄｅｒ下的实　现［Ｊ］．通信对抗，２００６，（２）：６２—６４．　［３］程佩青．数字信号处理教程［Ｍ］．北京：清华大学出版　社。１９９７．　２００３，（０１）：６４—６６．　［６］汪安民．ＤＳＰ嵌入式系统开发典型案例［Ｍ］．北京：人民　邮电出版社，２００７．　［７］王歆．软件无线电台中频调制解调器的实现［Ｄ］．西安：　西安电子科技大学，２００４：２１—２８．　［８］Ｊｕｎ　Ｙａｎｇ，Ｃｈｏｎｇｘｉ　Ｆｅｎｇ，Ｋｕｎ　Ｔａｎｇ，Ｌｉｎｇ　Ｎｕ．Ａｎ　Ａｕ—　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｄｅ　Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　３２　Ｋｂｐｓ　［４］［美］拉宾ｌＪ＿Ｒ．语音信号数字处理［Ｍ］．北京：科学出版　社，１９８３：１３２—１８５．　ＣＶＳＤ　ａｎｄ　６４Ｋｂｐｓ　ＰＣＭｌ　Ｍ］．ＩＥＥＥ　ＴＥＮＣＯＮ．Ｂｅｒｉｎｇ，　１９９３：３７—４０．　［５］张璇，王福昌，童胜勤．基于ＤＳＰ的ＣＶＳＤ与ＰＣＭ编码　全数字转换技术［Ｊ］．华中科技大学学报，自然科学版，　（９］黄福贵，朱志国，孙波．语音编码调制的ＣＶＳＤ算法及实　现［Ｊ］．声学与电子工程，２００５，（４）：１９—２２．　Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＣＶＳＤ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２　ＬＩ　Ｌｉ。　ＹＡＮＧ　Ｈｏｎｇ—ｑｉａｎｇ　ＧＡＯ　Ｓｈａｎ　（１．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｇ￣ｎｇ　０６５０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ；Ｈｅｎｇｓｈｕｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；Ｈｅｎｇｓｈｕｉ　０５３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ＣＶＳＤ　ｓｐｅｅｃｈ　ｃｏｄｅｃ（ｅｎｃｏｄｅｒ　ａｎｄ　ｄｅｃｏｄｅｒ）ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｄ．Ｔｈｅｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉ－　ｍｅｎｔｓ　ｈａｖｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｉｆｅｄ　ｐｈａｓｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅａｎ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｌｏｐｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌ，ｗｈｉｃｈ　ｉｄｅａＵｙ印－　ｐｒｏａｃｈｅｓ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｐｕｔ　ｓｉｇｎａ１．Ａｔ　ｌａｓｔ，ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＣＶＳＤ　Ｒｅａｌ－Ｔｉｍｅ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＴＭＳ３２０Ｃ５４０２　ｃｈｉｐ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｌｏｐｅ　ｄｅｌｔａ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｇｉｔｌ　ｓｉａｇｎａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｓｐｅｅｃｈ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　一１７—