基于DSP和MATLAB的语音数据采集和处理系统

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基于DSP 和MATLAB 的语音数据采集和处理系统

中国地质大学机电学院 罗大鹏 叶敦范

１ 引言

目前迅速发展的数字信号处理器已在数据采集、通信及多媒体等领域中得到广泛的应用。本系统采用ＴＩ公司１６位定点高速芯片ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０和专用语音采集芯片ＴＬＣ３２０ＡＤ５０进行数据采集和相关滤波、压缩处理，并将最终的数据流经串口送入计算机。在计算机中使用ＭＡＴＬＡＢ控制串口接收数据并完成解压、回放、编码、通信仿真等处理。２　硬件接口电路

２．１　ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０外部扩展电路ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０是ＴＩ公司于１９９６年推出的定点数字信号处理器。它运行速度快，单周期定点指令执行时间１０ｎｓ或８．３ｎｓ，远大于语音采集和处理的要求。另外它采用修正的哈佛结构，程序与数据分开存放，内部具有８条高度并行性的总线。其中，一组程序总线，三组１６位数据总线和四组地址总线。允许数据存放在程序存储器中，并被算术指令直接使用，大大提高了运行速度和灵活性。ＣＰＵ具有４０位算术逻辑单元，两个独立的４０一个４０存器、２大可有８Ｍ器空间有包括两块２ＫＢＳＡＲＡＭ程序存储器。片上集成一个１６位定时器、图１为ＤＳＰ与存储器的接口电路，其中ＰＳ、ＤＳ、ＩＳ分别为程序、数据和Ｉ／Ｏ空间选择信号。ＭＳＴＲＢ、ＩＯＳＴＲＢ分别为存储器和Ｉ／Ｏ选通信号。

ＥＰＲＯＭ相比有更高的性价比，而且体积小，功耗低，可电擦写，使用较方便。因此，本系统也扩展了一片ＦＬＡＳＨ存储器，图２为ＤＳＰ与ＦＬＡＳＨ的接口电路。ＦＬＡＳＨ芯片为ＡＭＤ公司的

ＡＭ２９ＬＶ４００Ｂ，该芯片为单电源供电，支持整片擦除，每个分区有保护，避免意外擦除，并且使用寿命很长。

２．２　ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０与ＴＬＣ３２０ＡＤ５０的接口电路

要着重考虑转换精度和抗干扰问题。本系统所用ＡＤ和ＤＡ转换芯片为ＴＩ公司的ＴＬＣ３２０ＡＤ５０，它在一个封装中集成了两种功能，可同时进行ＡＤ和ＤＡ转换。图３为ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０和ＴＬＣ３２０ＡＤ５０的接口电路。

ＡＤ５０采用１６位过采样ｓｉｇｍａ－ｄｅｌｔａ技术，以８Ｋ的采样率对输入的语音信号进行采样、量化，按同步串行方５４１０进行处理。ＡＤ５０向ＣＰＵ发ＡＤ转换采集进ＰＣ，在ＰＣ中用接收信号并进行处理。整个过ＤＡ转换并不在信号处理的主要流ＤＡ转换只是用来验证采集数据时压缩算法的正确性与合转换写入。此外，把ＤＡ转换加进图１ ＤＳＰ与存储器的接口电路

图２ ＤＳＰ与ＦＬＡＳＨ接口电路

图３ ＤＳＰ与ＡＤ５０接口电路

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TR O NI PR OD U CT S CH I NA A UG U ST 2004

２．３　ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０与ＰＣ机的串口通信

本系统采用ＭＡＸ２３２Ｅ构成５４１０与ＰＣ间的通信接口。ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ２３２Ｅ采用单５Ｖ电源供电，使用时只需外接４个电容就能完成ＴＴＬ与ＲＳ２３２间的电平和逻辑关系的转换。经过ＤＳＰ系统处理的语音信号通过串口以９６００ｂ／ｓ的速率送入计算机，在计算机中通过ＭＡＴＬＡＢ控制串口接收数据，并且利用ＭＡＴＬＡＢ强大的数据处理能力对语音信号进行处理。３　软件实现

本系统的软件由上位机部分和下位机部分组成。其中，下位机部分主要是针对ＤＳＰ编程完成语音信号的采样、量化、滤波、压缩编码、以及与ＰＣ上位机部分主要是采用ＭＡＴＬＡＢ语言编程进行串口数据接收、解压缩、以文件的形式存储数据并且最终将该数据文件送入本人用ＭＡＴＬＡＢ语言完成的一个通信信号处理系统进行进一步处理。

３．１　下位机部分

整个下位机部分的程序流程图如图４所示，其中滤波部分为一个ＦＩＲ高通滤波算法。这是因为主要采集的对象为语音信号，而ＴＬＣ３２０ＡＤ５０内部只有一个低通滤波器，可以用于滤除高于３．４ｋＨｚ的干扰信号，但是对于低于３００Ｈｚ的干扰则无能为力，所以针对ＤＳＰ编程设计一个ＦＩＲ高通滤波器滤除低频干扰。ＦＩＲ滤波器在数学上可表示为：

式（１）中ｘ（ｎ）为最近的输入信号，ｘ

（ｎ－ｋ）为延时了ｋ个取样周期的输入信号，ｙ（ｎ）为时刻ｔ＝ｎＴ的滤波器输出信号，Ｎ为滤波器的阶数。ｈ（ｋ）是第ｋ个延时节的加权值，既滤波器系数，可由ＭＡＴＬＡＢ的ｋａｉｓｅｒｏｒｄ函数和ｆｉｒ１函数共同算得。从计算结果可以看出，一个Ｎ（设Ｎ为偶数）阶的ＦＩＲ滤波器具有系数对称性，从而其输出方程可进一步简写为：

ｙ（ｎ）＝ｈ０［ｘ（ｋ）＋ｘ（ｋ－Ｎ＋１）］＋ｈ１［ｘ （ｋ－１）＋ｘ（ｋ－Ｎ＋２）］＋Λ＋ ｎＨ／２－１［ｘ（ｋ－Ｎ／２＋１）＋ｘ（ｋ－ Ｎ／２）］ （２）根据（２）式可以编写相应程序完成ＦＩＲ高通滤波。

语音压缩部分采用的是非失真的压缩算法。具体为：当有两个以上连续相等的数据时，可以用３字节表示，即前２字节相等表示被压缩的数据值，后１字节表示被重复次数。由于语音信号自身的特点，即冗余度大，这就为此种压缩提供了可能。同样，在解压时，程序读入数据流，当遇到两个相等数据时则重复此数，重复次数由后一个数据决定。

３．２　上位机部分

本次设计中比较新颖的地方就是上位控制串口接收并处

理数据。比起ＶＣ或者ＶＢ，用ＭＡＴＬＡＢ作上位机程序有其独特的优势。ＭＡＴＬＡＢ自带很庞大的函数库，控制串口有ｓｅｒｉａｌ等函数，语音的回放有ｗａｖｒｅａｄ函数，至于信号

处

理

更

是

ＭＡＴＬＡＢ的强项，它自带的信号处理工具箱函数大大的缩短了系统软件开发的周期。另外，ＭＡＴＬＡＢ作人机交互界面也很方便，其自带的ＧＵＩ工具包使整个过程快捷、流畅，比起ＶＢ也逊色不了多少。

３．１．１　ＭＡＴＬＡＢ的人机交互软件设计

用ＭＡＴＬＡＢ控制串口接收数据有以下几步：

１．　先进行串口的初始化操作，然后打开串口，用到的函数为：ｓｅｒｉａｌ和

ｏｐｅｎ。

２．　设定ＭＡＴＬＡＢ和ＤＳＰ的握手方式，可通过串口目标的ＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌ属性设定。

３．　接收和发送数据，用到ｆｒｅａｄ和ｆｗｒｉｔｅ函数。

界面如图５

所示，调试时注意

ＭＡＴＬＡＢ本身的ＧＵＩ环境下设计的软件界面不能使用全局变量，若是使用会出现函数使用错误。另外，接收和发送数据之前要清ＰＣ的数据缓冲区，以免接收到或发送的数据不是当前数据。最后，接收到的数据应以文件的形式存储下来，

以便后续的系统处理。

３．１．２　信号处理系统设计

上位机的信号处理系统的设计思路是这样的，信号首先以文件的形式输入处理系统进行频谱分析，观察信号是否被噪声污染。若其频谱含有噪声谱则马上进入滤波器模块进行滤波，以滤除信号中的噪声。然后，再将滤波后的信号送入编解码模块进行编码或解码（在这里用户可以选择不同的编解码方式）。最

后将信号送入通信仿真模块进行各种调制或解调处理及相应波形的显示。

结束语

ＴＭＳ３２０Ｃ５４１０作为高速数字信号处理器具有快速的运算能力，结合ＭＡＴＬＡＢ强大的信号处理能力，完全可以达到较复杂的语音信号处理要求。而且系统的可扩展能力很强，可对软件进行修改或者添加新的快速的算法提高系统信号处理的实时性。

ｙ（ｎ）＝

Σｈ（ｋ）ｘ（ｎ－ｋ） （１）

Ｎ－１

Ｋ＝０

图４ 程序流程图图５　人机交互界面

ＥＰＣ