基于DSP在语音信号处理中的研究与开发

实验室研究与探索

R ESEA RCH AND EXPLORA T I ON I N LABORA TOR Y

V o l .23N o.9　

Sep.2004　

基于D SP 在语音信号处理中的研究与开发

姚晓通,　魏元玲,　宫玉芳

(兰州交通大学信息与电气工程学院,甘肃兰州730070)

摘　要:介绍了基于T I 公司TM S 320C 5402定点D SP 芯片在语音处理应用中的软硬件设计方法,给出了硬件电路、应用程序、相关的实验数据、波形等。

关键词:D SP ;数字信号处理;话音信号;CCS ;RVO 3100B 中图分类号:TN 914文献标识码:B 文章编号:100627167(2004)0920021204

Re s e a rch a nd App lica tion of DS P in V o ice S igna ls

P roce s s ing B a s e d on T MS 320VC 5402

YA O X iao 2tong ,　W E I Y uan 2ling ,　GON G Y u 2f ang

(Co llege of Info rm ati on and E lectrical Eng .,L anzou J iao tong U n iv .,L anzou 730070,Ch ina )

Abstract :T h is p ap er discu ssed the research and app licati on of D SP in vo ice signals p rocessing based on TM S 320V C 5402and p resen ted the circu it schem e ,p rogramm e ,test data and the w ave fo rm charts .Key words :D SP ;TM S 320V C 5402;vo ice signal ;CCS ;RVO 3100B

收稿日期:2004204205

第一作者简介:姚晓通(1972-),男,工程师,硕士研究生,主要从事嵌入式系统、EDA 技术、

自动化控制等技术的研究与应用。1　引　言

近年来,在数字信号处理领域有着绝对优势D SP

技术得到了迅速发展,并已渗透到各行各业,特别在消费类电子产品中应用相当广泛,比如在以下两个方面的应用尤为突出。

语音——如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音存储等;

家用电器——如高保真音响、音乐合成、音制、玩具与游戏、数字电话 电视等。

正因为如此,D SP 应用越来越得到各高校本科生和研究生的重视。下面以开发T I 公司TM S 320C 5402定点D SP 芯片为例,介绍其用于语音处理实验的软硬件的设计与实现。

2　D SP 系统设计

2.1　系统组成

图1是典型的模拟与数字系统的比较,当把模拟

信号变为数字信号后,我们可对数字信号进行任意处理,从而得到不同的效果。

图1　语言信号的处理

2.2　系统原理

由图1数字处理系统为例,得出典型的D SP 应用系统如图2所示。图中的输入信号可以有各种各样的形式。例如,它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号,可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。

图2　典型的D SP 系统

输入信号首先进行带限滤波和抽样,然后进行A

D (A nalog to D igital )变换将信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理,为保证信息不丢失,抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2倍。

芯片的输入是 变换后得到的以抽样形

式表示的数字信号,D SP 芯片对输入的数字信号进行某种形式的处理,如进行一系列的乘累加操作(M A C )。数字处理是D SP 的关键,这与其他系统(如电话交换系统)有很大的不同,在交换系统中,处理器的作用是进行路由选择,它并不对输入数据进行修改。因此虽然两者都是实时系统,但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后,经过处理后的数字样值再经D A (D igital to A nalog )变换转换为模拟样值,之后再进行内插和平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

必须指出的是,

上面给出的D SP 系统模型是一个典型模型,根据用途的不同可有所变动。如语音识别系统在输出端并不是连续的波形,而是识别结果,如数字、文字等;有些输入信号本身就是数字信号(如CD :Com p act D isk ),因此就不必进行模数变换了。2.3　D SP 系统的设计过程

图3所示是D SP 系统设计的一般过程

。

图3　D SP 系统的设计流程

在设计D SP 系统之前,首先必须根据应用系统的

目标确定系统的性能指标、信号处理的要求,通常可用数据流程图、数算序列、正式的符号或自然语言来描述。

2.4　硬件原理框图

(1)D SP 芯片采用144脚TQ FP 封装的TM S 320C 5402,使T I 公司第五代16b it 定点D SP

处

图4　硬件原理框图

理器。其性能可达到20～50M IPS ,在典型应用中能耗可降至2.35mA M IPS 。

(2)模拟量输入输出单元采用TL C 320AD 50接口电路,转换速率22.5KB 。

(3)JTA G 采用IEEE 1149.1标准逻辑电路用于在线仿真和测试。

3　实现过程及数据分析

语音信号变成数字信号后可以对数字信号进行各种软件处理,从而得到各种效果。现运行TON E .M A K (原声重现)、II R TON E .M A K (II R 低通滤波)、D ELA Y .M A K (延时处理)三种程序,并对输入信号

A 1,输出信号A

2

进行时域、频域的比较分析。该程序

在CCS 环境下调试通过。以下是用RVO 3100B 示波

器采集到的波形图,由于A 2信号是经过D SP 处理系统,因此,A 2波形相对于A 1波形稍有滞后。

(1)原声重现处理(见图5、6)。从图5可以看出,

在时域中输入信号A 1与输出信号A 2,除A 2信号稍有滞后外,波形基本一致。从图6可见,在频域中输入信号A 1与输出信号A 2,频率特性基本一致。

(2)加II R 低通滤波处理(见图7、8)。从图7可以看出,在时域中输出信号A 2明显地已滤除高频成分。从图8可见,在频域中输入信号A 1与输出信号A 2的主频一致,但输出信号A 2频率特性图中大部分高次谐波被滤除

。

图5　时域里的原声重现信号

2

2　　　　实　验　室　研　究　与　探　索

第23卷　

图6

　频域里的原声重现信号

图7　时域里经II R

低通滤波后的信号

图8　频域里经II R

低通滤波后的信号

图9　时域里经延时处理后的信号

(下转第33页)

3

2　第9期

姚晓通,等:基于D SP 在语音信号处理中的研究与开发

3.3　教学实践效果

3.3.1　教学效果　经过对四个班级约120多名学生教学实

践,与过去相比,改进后的实验装置具有以下特点:

(1)可缩短50%提取时间;

(2)提取率得到了提高,几乎可使所有同学都得到较多的

产品;

(3)溶剂用量减少1 3;

(4)仪器结构简化不易破碎,大大降低了实验成本;(5)关键在于对学生创新意识的培养和学习积极性的提

高也起到了很大的作用。

3.3.2　教学体会　高校实验室是培养人才的基地,实验教学

质量的高低,直接影响高素质人才的质量[5]

。因此,实验室除必须具备高水平的实验技术人才外,同时还应具备雄厚的物质基础即:先进的实验设备、近代的实验技术和现代的实验方法。这就需要在物质基础良好的今天,实验技术人员要不断地掌握新

技术和新知识,提高实验技能和理论水平,改进实验方法。达到该目的较好的途径是教学之余坚持科研工作。科研工作是理论和实践的统一,可以拓宽实验教师的知识结构和深度,提高其整体水平。“缩合双套管分离装置”是实验教师为解决科研中的问题而发明的,受此启发,将其稍加改进,解决了实验教学的具体问题,这一举措起到了教学科研相长的作用,达到了教学改革的目的;也让学生了解到了技术的不断发展和实验方法的先

进性,激发了他们的学习兴趣及探索新知识和新技术的创新精神。

4　结　语

(1)应用改进后的装置取得了良好的教学改革效果。(2)缩合双套管分离装置主要用于缩合反应,可以克服反

应物与催化剂的不连续作用[6],且可于减压下进行。

(3)有机实验中其他天然物的提取及催化合成等实验,正

在研究推广该装置的应用。

参考文献:

[1]　李赵陇,阴金香,林天舒.有机化学实验[M ].北京:清华大学出版

社,2001.1822183.

[2]　顾　谦,陆锦时,叶宝存,等.茶叶化学[M ].合肥:中国科技出版

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[3]　Doxsee K ,H utch ison J .Green O rganic Chem istry :Strategies ,

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[4]　金东元,沙　钝,王爱民.缩合双套管常减压连续催化反应及分离

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[5]　李丽平.对实验室改革开放地几点认识[J ].实验室研究与探索,

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[6]　沙　钝,金东元.22(12环己烯基)环基酮[J ].上海应用技术学院学

报,2002,2(3):1632165.

(上接第23页)

图10　频域里经延时处理后的信号

　　(3)加延时处理(见图9、10)。由图9可见,在时域中输出信号A 2明显地加入了延时部分。由图10可见,在频域中输出信号A 2的主频发生比较大的变化,也就是我们常说的变调现象。

4　结　语

本文介绍了D SP 软硬件的设计及验证,并应用到03级研究生“数字信号处理”的教学中,效果非常好,

此实验的开发对D SP 应用到语音信号处理方面起到示范作用。

参考文献:

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3

3　第9期

王莉贤:双套管分离装置在咖啡因提取实验中的应用