【導(dǎo)讀】項關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于圖形圖像處理、語音識別、智能檢測、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。號存儲、處理及再現(xiàn)，是數(shù)字信號處理的重要組成部分，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。計的主要步驟和方法，分析了數(shù)據(jù)采集應(yīng)用對象的特征，闡述了系統(tǒng)硬件電路的搭建，介紹了DSP的線性預(yù)測編碼算法在語音信號處理中的作用。特別地，在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集研。電路、軟件程序、性能測試等方面的工作。

　　

【正文】 S D S P _S D R A S D S P _S D W E GNDD S P _B E 2D S P _B E 3D S P _S D C L K 10KR 73D S P _E D 0D S P _E D 1D S P _E D 2D S P _E D 3D S P _E D 4D S P _E D 5D S P _E D 6D S P _E D 7D S P _E D 8D S P _E D 9D S P _E D 10D S P _E D 11D S P _E D 12D S P _E D 13D S P _E D 14D S P _E D 15D S P _E D 16D S P _E D 17D S P _E D 18D S P _E D 19D S P _E D 20D S P _E D 21D S P _E D 22D S P _E D 23D S P _E D 24D S P _E D 25D S P _E D 26D S P _E D 27D S P _E D 28D S P _E D 29D S P _E D 30D S P _E D 31D S P _E A 2D S P _E A 3D S P _E A 4D S P _E A 5D S P _E A 6D S P _E A 7D S P _E A 8D S P _E A 9D S P _E A 10D S P _E A 11D S P _E A 13D S P _S D A 10D S P _E A 14D S P _E A 15D S P _E A 2D S P _E A 3D S P _E A 4D S P _E A 5D S P _E A 6D S P _E A 7D S P _E A 8D S P _E A 9D S P _E A 10D S P _E A 11D S P _E A 13D S P _E A 14D S P _E A 15VDD1DQ02VDDQ3DQ14DQ25VSSQ6DQ37DQ48VDDQ9DQ510DQ611VSSQ12DQ713VDD14D Q M L15W E 16C A S 17R A S 18C S 19B A 020B A 121A 1022A023A124A225A326VDD27VSS54D Q 1553VSSQ52D Q 1451D Q 1350VDDQ49D Q 1248D Q 1147VSSQ46D Q 1045DQ944VDDQ43DQ842VSS41NC40D Q M H39C L K38C K E37NC36A 1135A934A833A732A631A530A429VSS28VDD1DQ02VDDQ3DQ14DQ25VSSQ6DQ37DQ48VDDQ9DQ510DQ611VSSQ12DQ713VDD14D Q M L15W E 16C A S 17R A S 18C S 19B A 020B A 121A 1022A023A124A225A326VDD27VSS54D Q 1553VSSQ52D Q 1451D Q 1350VDDQ49D Q 1248D Q 1147VSSQ46D Q 1045DQ944VDDQ43DQ842VSS41NC40D Q M H39C L K38C K E37NC36A 1135A934A833A732A631A530A429VSS28MT 4 8 L C4 M1 6 A 2MT 4 8 L C4 M1 6 A 2基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 20 電源系統(tǒng)設(shè)計 在整個 DSP 系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，電源系統(tǒng)的設(shè)計是非常重要的。 為了降低芯片功耗， TMS320C6713 采用雙電源供電方案，即 CPU 核電源盒 I/O 電源。TMS320C6713 的核電壓為 ，周邊 I/O 口的電壓時 。由于許多外部器件均采用 電壓，因而 DSP 可與這些外部器件直接接口，無須附加其他電平轉(zhuǎn)換器件。 圖 13 所示是一個電源電路，輸入電源電壓為 DC 5V，使用 AS2850 和 TPS75818 電源模塊來產(chǎn)生 （ DVDD）和 （ CVDD）。由于 DVDD 和 CVDD 有一個電源 供電，因此在上電順序和時間上沒有問題。 圖 13 TMS320C6713 DSP電源電路 復(fù)位電路 的分析 TMS320C6713 DSP 的復(fù)位信號由外部 RESET 管腳引入 DSP。當(dāng) RESET 為低時，芯片進(jìn)入復(fù)位初始化狀態(tài)。此后， 所有的三態(tài)輸出管腳都被置為高阻，其他輸出管腳恢復(fù)為默認(rèn)狀態(tài)。 RESET 信號的上升沿將觸發(fā)芯片執(zhí)行自加載過程。如果在復(fù)位過程中 PLL 的設(shè)置被改變，那么就需要更寬的復(fù)位脈沖，以使芯片的鎖相環(huán)（ PLL）完成同步。 對 TMS320C6713 DSP 而言，復(fù)位信號是非屏蔽的外部中斷，它隨時可以將處理器置入一個已知 的狀態(tài)。并且復(fù)位是優(yōu)先級別最高的中斷，一般是在加電后芯片處于未知狀態(tài)時對其復(fù)位。因為復(fù)位信號終止存儲器操作并初始化各硬件狀態(tài)位，所以每次復(fù)位后系統(tǒng)必須重新運行初始化程序。 圖 14 所示是由 MAX706T 組成的復(fù)位電路，該電路既可以通過按鍵 SW對芯片進(jìn)行手動復(fù)位，也通過 MAX706T 實現(xiàn)自動復(fù)位。 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 21 圖 14 MAX706T組成的復(fù)位電路 20KR2GNDW D O5R E S E T7W D I6P F O8MR1V C C2GND3P F I4M A X 70 6TU710KR 74R 76GND12 34S W 110uFR C 12D S P _R E S E T 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 22 4 DSP 的音頻采集與處理 語音信號的線性預(yù)測分析 語音線性編碼的原理 線性預(yù)測分析 （ LPALinear Predictive Analysis） 的基本思想是語音信號的每個取樣值能夠用過去若干個取樣值的線性組合 （ 預(yù)測值 ） 來逼近。通過使實際語音信號取樣值和線性預(yù)測樣值之間的均方誤差最小，來決定唯一的一組預(yù)測器系數(shù)。這里的預(yù)測器系數(shù)就是線性組合中所用的加權(quán)系數(shù)。 LAP 是目前進(jìn)行語音信號分析最有效和最流行的技術(shù)之一因，它提供了一組簡潔的語音信號模型參數(shù)。這組參數(shù)比較準(zhǔn)確的表達(dá)了語音信號的頻譜幅值，而計算量并不大。當(dāng) LAP 技 術(shù)應(yīng)用于語音編碼時，利用模型參數(shù)可有效地降低編碼比特率，提高識別率和減少計算時間。另外，利用 LAP技術(shù)還可以進(jìn)行語音合成。 這里，先簡單介紹一下線性預(yù)測法的原理，再舉例說明如何在 DSP 上運用語音線性編碼 LPC 實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的壓縮。 假設(shè)語音波形以一定的時間間隔 T 采樣得到的信號為 x（ n） （ n =0,1… ） ，語音信號當(dāng)前時刻的采樣值 x（ n） 與鄰近的 M個過去時刻的采樣點上的值 x（ n1） ， x（ n2） ……x（ nM） 相關(guān)，也就是說 ： x（ n） 可以由 x（ nk）（ k=1,2,… M） 的線性組合近似表示 ： ( ) ( ) ( )1 2 M( ) [ ( 1 ) ( 2 ) + ( M )M M MMx n a x n a x n a x n? ? ? ? ? ? ?…()1 ()M Mkk a x n k?? ? ??^ 這種線性組合所得到的值被稱為語音信號 x（ n） 的線性預(yù)測，或稱為預(yù)測值。計算預(yù)測誤差 ： ( ) ( ) ( )MMf n x n x n??^ ()1( ) ( )M Mkkx n a x n k?? ? ?? 式中， ()Mka （ k=1,2… M） 稱為線性預(yù)測系數(shù)，語音波形的特征可以由系數(shù) ()Mka 來表示。該系數(shù)取分析區(qū)間內(nèi)的預(yù)測誤差的最小均方值。 因為預(yù)測誤差 ()Mfn在分析區(qū)間內(nèi)的平方和為 基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 23 1 2 ( ) 201( ) [ ( ) ( ) ]NM MMknkE f n x n a x n k???? ? ? ?? ? ? 上式的最小值取在該式對系數(shù) ()Mka 構(gòu)的偏微分為 0處。因此可以得到下面的 M 個一次方程所構(gòu)成的聯(lián)立方程組 ： () 0MkEa? ?? ， k=1,2…， M 由上面的方程組即可得到系數(shù) ()Mka 的最優(yōu)解。即由 1()()011 1 1()0 0 1= 2 [ ( ) ( ) ] ( )2 ( ) ( ) 2 ( ) ( )0NMMlMnlkN N NMln n lE x n a x n l x n kax n x n k a x n k x n l???? ? ?? ? ?? ? ? ??? ? ? ? ????? ? ? 其中 K=1,2… M。 可得 11()0 1 0( ) ( ) ( ) ( )N M NMln l na x n k x n l x n x n k??? ? ?? ? ? ? ?? ? ? K=1,2… M 在本系統(tǒng)中，無損失數(shù)據(jù)壓縮算法擬采用線性預(yù)測編碼方案，預(yù)測編碼采用類似△M的編碼方式，這里稱為改進(jìn)的△ M編碼，這種方法易于集成在 DSP 芯片中。 改進(jìn)的△ M 編碼數(shù)據(jù)存儲格式如 圖 15所示 ： 編 碼標(biāo) 志 位采 樣點 數(shù)編 碼 量 占 二進(jìn) 制 位 數(shù)差 值 占 二 進(jìn)制 位 數(shù)基 值 1 偏 移 量 基 值 n 偏 移 量… 差 值 1 差 值 n…數(shù) 據(jù) 塊 頭基 值 序 列差 值 序 列圖 15 改進(jìn)的△ M編碼數(shù)據(jù)存儲格式 改進(jìn)的△ M 編碼是利用各采樣點之間的相關(guān)性編碼一定長度采樣點數(shù)據(jù)，從而起到壓縮數(shù)據(jù)作用。以十進(jìn)制的例子解釋此編碼方式對數(shù)據(jù)的壓縮作用 ： 假設(shè)有 10 個數(shù)據(jù)位數(shù)是 2位的十進(jìn)制采樣點數(shù)據(jù) ： 11， 12， 19， 18， 20， 16， 21，25， 30， 28。如果不采用任何數(shù)據(jù)壓縮算法，其數(shù)據(jù)存儲應(yīng)該是 11121918202121253028，共占 20個字符，如果采用去掉數(shù)據(jù)塊頭的存儲方式，數(shù)據(jù)可存儲為 1162140187950497，共占 16 個字符，顯然，數(shù)據(jù)得到了壓縮。這 16 個字符的意義解釋如下 ： 116214 表示基值為 11，與 n的差值小于等于 9的采樣點連續(xù)有 6個，基值為 21，與 21 的差值小于等于 9的采樣點連續(xù)有 4個，由差值序列可得出各采樣點的值 ： 11（ 11+0） ， 12（ 11+l） ，基于 DSP 與 USB 的語音采集處理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 24 19（ 11+8） ， 18（ 11+7） ， 20（ 11+9） ， 16（ 11+5） ， 21（ 21+0） ， 25（ 21+4） ， 30（ 21+9） ， 28（ 21+7） 。 本系統(tǒng)中，采樣點數(shù)據(jù)有效位為 12 位二進(jìn)制，采樣點個數(shù)為 4K字節(jié)，而數(shù)據(jù)序列均是采用 16位二進(jìn)制數(shù)據(jù)表示的，這本身就存在 4 位冗余。對于 12位的采樣點，基值必須是 12 位，差值理論上 1~11位可選，都有可能起到壓縮數(shù)據(jù)的作用。選擇最佳的差值位數(shù)的方法是 ： 1~11 位差值編碼都試一遍，選出壓縮率最高的差值位數(shù)。當(dāng)差值位數(shù)選定以后，基值以及偏移量序列就能確定下來，偏移量需要多少位二進(jìn)制表示也可以確定下來。把采樣點數(shù)、 偏移量占二進(jìn)制位數(shù)、差值占二進(jìn)制位數(shù)寫入數(shù)據(jù)塊頭以便解碼時候用。用以上編碼方式編碼后的數(shù)據(jù)長度主要取決于基值序列和差值序列的長度。顯然，在采樣點間的相關(guān)性極差的情況下，用以上方法編碼起不到壓縮數(shù)據(jù)的作用，反而比直接存儲原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)長度還長，此時就不宜用以上 方法編碼了，而采用直接存儲原始數(shù)據(jù)的方法編碼。其存儲格式如 圖 16所示 ： 編 碼 標(biāo) 志 位 采 樣 點 數(shù) 原 始 數(shù) 據(jù) 1 原 始 數(shù) 據(jù) 2 原 始 數(shù) 據(jù) n… 圖 16 原始數(shù)據(jù)直接存儲格式 其中編碼標(biāo)志位為