一種低速率語音編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱敏杰， 王 海， 梁 偉

(紹興文理學(xué)院 數(shù)理信息學(xué)院， 浙江 紹興 312000)

0 引 言

語音傳輸是目前最主要最普遍的通信傳輸服務(wù)，考慮到存儲(chǔ)空間、信道帶寬的限制及擴(kuò)大通信容量的需求，可利用低速率編碼技術(shù)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼。此類低速語音編碼技術(shù)在軍事和航天領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間[1-2]。目前常用的低速率語音編解碼系統(tǒng)一般以CPU和音頻codec芯片為核心構(gòu)成，CPU根據(jù)語音編解碼算法編程，傳輸語音數(shù)據(jù)，音頻codec芯片用于實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)采集和回放。這種方案編程復(fù)雜、保密性差、成本高，難以擴(kuò)展，而且編碼速率低于2.4 Kbps的應(yīng)用方案不多[3]。本文采用低速率語音編解碼專用芯片TR600和STM32微控制器，完成一種低速率語音編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)，編碼速率可選擇0.6、0.8、1.2或2.4 Kb/s，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低速率語音編解碼系統(tǒng)由信道管理器STM32微控制器、語音編解碼專用芯片TR600[4]、音頻codec芯片TLV320AIC10及外圍電路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)管理器選用ARM cortex-M3內(nèi)核STM32F103芯片，主頻72 MHz，字長(zhǎng)32 位，片內(nèi)存儲(chǔ)器容量大，片上外設(shè)豐富，開發(fā)工具完備，是8 位及16 位微控制器的理想替代產(chǎn)品[5-6]。在本設(shè)計(jì)中，主要負(fù)責(zé)通信信道的管理。TR600采用清華大學(xué)微波和數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的SELP (Sine Excitation Linear Prediction )聲碼器算法，在此基礎(chǔ)上，引入了多幀參數(shù)聯(lián)合矢量量化方法，壓縮幀間冗余，在0.6 Kb/s的極低編碼速率下，重建語音DRT測(cè)試評(píng)分>89%[7-9]。

麥克風(fēng)采集的語音信號(hào)通過TLV320AIC10進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由TR600進(jìn)行量化壓縮后通過RS232接口傳送給STM32，再由STM32傳送到通信網(wǎng)絡(luò)。還可將來自通信網(wǎng)絡(luò)的壓縮語音數(shù)據(jù)傳送給TR600解碼，通過TLV320AIC10的D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)語音重建。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由信道接口電路，語音采集、回放電路，電源電路，CPU主控電路組成。其中CPU主控電路主要由JTAG下載、晶振、按鍵及LCD顯示、EEPROM組成，本文不再展開。

2.1 信道接口電路設(shè)計(jì)

信道接口包括系統(tǒng)管理器、音頻codec芯片及編解碼器的接口電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。TLV320AIC10的M/S引腳置高，M0、M1、FC引腳接地，配置成主模式，F(xiàn)S同步信號(hào)由TLV320AIC10產(chǎn)生，脈沖方式，次級(jí)通信不選擇[10]。TR600芯片DATAIO_SEL引腳接地，表示使用控制接口對(duì)TLV320AIC10執(zhí)行初始化，即通過SDIN信號(hào)對(duì)DCSI控制接口寫初始化命令。FS為幀同步信號(hào)，接TR600的串行數(shù)據(jù)輸入輸出同步信號(hào)LRCIN和LRCOUT，DIN、DOUT、SCLK為串行通信數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，用于發(fā)送、接收16 bit串行數(shù)字音頻數(shù)據(jù)，與TR600的相應(yīng)引腳相連。PCMCTRL_CLKSE引腳接地，表示TLV320AIC10、TR600的數(shù)據(jù)接口和控制接口都使用的SCLK作為時(shí)鐘信號(hào)。TR600可用RS232串口與系統(tǒng)管理器STM32F103通信，考慮到STM32F103沒有DTR和DSR信號(hào)線，選擇其GPIO口PC4、PC5用軟件模擬實(shí)現(xiàn)，STM32F103預(yù)留USART2接口用于系統(tǒng)與上位機(jī)或網(wǎng)絡(luò)通信。

2.2 語音采集、回放電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)語音由TLV320AIC10采集，語音采集電路設(shè)計(jì)成反向模式。語音回放電路采用低壓音頻放大器LM386，電路設(shè)計(jì)成200倍增益模式，LM386可采用+5 V供電，典型功耗325 mW，可接8Ω喇叭或電話聽筒。語音采集、回放電路如圖3所示。

圖2 信道接口電路

圖3 語音采集、回放電路

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中需要模擬3.3 V和數(shù)字3.3 V兩路電源，語音回放需要5 V電源。系統(tǒng)采用LM2575-5.0[11]開關(guān)穩(wěn)壓器將來自于變壓器端的9 V直流穩(wěn)壓為5 V，最大1 A直流輸出。5 V電壓可直接供給語音回放電路的功放使用，另經(jīng)低壓差穩(wěn)壓器(LDO)LM1117-3.3[12]穩(wěn)壓為3.3 V，最大800 mA直流輸出。

圖4 電源電路

3.3 V電壓分成模擬電源和數(shù)字電源，其中模擬部分給TLV320AIC10和TR600的模擬電路供電，數(shù)字部分給包括系統(tǒng)管理器STM32F103在內(nèi)的數(shù)字部分供電。電源電路如圖4所示。其中D1為穩(wěn)壓二極管，L2和C3構(gòu)成輸出紋波濾波器，提高輸出直流5 V的電源質(zhì)量，R2為短路電阻，用于連接數(shù)字地和模擬地。計(jì)算系統(tǒng)主要芯片功耗，此電源電路可滿足要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行控制等工作。軟件編譯利用意法半導(dǎo)體(STM)提供的固件庫(kù)軟件包，在Keil uVision風(fēng)格的MDK環(huán)境下采用C語言完成開發(fā)[13-14]。

3.1 信道時(shí)序分析

系統(tǒng)工作時(shí)，TLV320AIC10的采樣速率F=FMCLK/256N，其中N由TLV320AIC10的控制寄存器R2的低5 bit決定。TR600已內(nèi)置對(duì)TLV320AIC10的初始化數(shù)據(jù)，將在TR600啟動(dòng)后隨即初始化TLV320AIC10，將TLV320AIC10的控制寄存器R2低5 bit修改為“01000”，即N=8，當(dāng)FMCLK選用外接有源晶振16.384 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的采樣速率為8 kHz。

TR600在四種速率下的數(shù)據(jù)幀壓縮見下表1所示。以0.6 Kbps編碼速率為例，TLV320AIC10采集的8 kHz、16 bit語音數(shù)據(jù)傳送給TR600，TR600將每600個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)測(cè)分析后量化編碼為45 bit的語音幀，每隔75 ms以9.6 Kb/s的速率向串口發(fā)送，TR600發(fā)送的語音編碼幀以“0X9C”開頭，后面45 bit語音幀分為6 Byte，最低字節(jié)高5 bit有效。TR600由串口接收的待解碼語音幀以“0X80”開頭。TR600與系統(tǒng)管理器之間的串行通信由CTS、RTS、DTR、DSR等信號(hào)同步，可保證通信的可靠性。

表1 不同速率數(shù)據(jù)幀壓縮對(duì)比

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

3.2 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。系統(tǒng)上電后，STM32F103最小系統(tǒng)自檢，讀取EEPROM系統(tǒng)參數(shù)，包括系統(tǒng)模式，自環(huán)延時(shí)時(shí)間等，可由按鍵修改系統(tǒng)參數(shù)，并實(shí)時(shí)存入EEPROM，由按鍵確認(rèn)系統(tǒng)開始工作。系統(tǒng)工作模式分為自環(huán)、發(fā)送、接收三種。自環(huán)模式即麥克風(fēng)采集的語音能在設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后在喇叭端重建；發(fā)送模式能將壓縮語音數(shù)據(jù)傳送到通信網(wǎng)絡(luò)；而接收模式則將來自于通信網(wǎng)絡(luò)的壓縮語音數(shù)據(jù)傳送到喇叭端重建。自環(huán)模式下，STM32F103首先對(duì)TR600進(jìn)行復(fù)位及軟件啟動(dòng)，并開啟USART1中斷，TR600正常啟動(dòng)后，會(huì)利用其中固化程序?qū)LV320AIC10初始化。TLV320AIC10以8 kHz、16 bit對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行采樣量化，傳送給TR600，TR600通過串口傳送給STM32F103的USART1，USART1接收中斷服務(wù)程序?qū)⒄Z音數(shù)據(jù)以照移位寄存方式放入緩沖區(qū)中，待自環(huán)延時(shí)結(jié)束后，修改語音幀頭，并發(fā)送回TR600，即可聽到延時(shí)后的連續(xù)語音。發(fā)送和接收模式的編程思想與自環(huán)模式基本一致，本文不再展開。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)如圖6所示。工作在0.6 Kb/s編碼速率，自環(huán)模式下，延時(shí)6 s，把成年男性聲音“紹興文理學(xué)院”錄制成WAV語音文件，采用praat語音軟件[15]分析語音時(shí)域波形圖和窄帶語譜圖，如圖7所示，前6 s語音為測(cè)試人聲音，后6 s語音是TR600通過語音壓縮編碼、自環(huán)解碼重建的效果。比較發(fā)現(xiàn)，在頻譜圖中重建語音與原始語音的頻譜結(jié)構(gòu)差別較??；在時(shí)域波形圖中略有區(qū)別。主觀聽覺測(cè)試表明重建語音具有較高可懂度、清晰度以及一定的自然度。

圖6 系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試圖

圖7 測(cè)試語音時(shí)域頻域圖

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