引言

    隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，語(yǔ)音交互的嵌入式和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展已日趨成熟。但由于嵌入式系統(tǒng)具有存儲(chǔ)空間小、顯示能力不足的特點(diǎn)，要進(jìn)行廣泛而深入的嵌入式語(yǔ)音壓縮、語(yǔ)音通信方面的研究和分析，有一個(gè)與pc機(jī)相連的臺(tái)理而完善的語(yǔ)音通信平臺(tái)。本文基于臺(tái)灣凌陽(yáng)公司的spce061a型號(hào)微控制器和adpcm(自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制)的原理，闡述實(shí)現(xiàn)嵌入式語(yǔ)音通信平臺(tái)的方法，并提出有針對(duì)性的設(shè)計(jì)策略。

    1平臺(tái)構(gòu)架

    圖1為平臺(tái)功能模塊，本文實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音網(wǎng)絡(luò)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，pc機(jī)服務(wù)器與多個(gè)語(yǔ)音終端通過(guò)max232串口相連，承擔(dān)著通信中介和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的任務(wù)。

    在終端功能模塊中，中心控制和處理選用凌陽(yáng)公司的spce061a。它的cpu內(nèi)核是凌陽(yáng)最新推出的μ′sp 16位微處理器芯片，因而具有多功能微控制器和高速率微處理器的雙重特色。在音頻處理方面，它具有單通道聲音模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，并內(nèi)置有具備自動(dòng)增益控制(agc)的麥克風(fēng)放大器，從而簡(jiǎn)化了語(yǔ)音處理系統(tǒng)的硬件組成。器件詳細(xì)資料見(jiàn)參考文獻(xiàn)。音頻輸入輸出模塊包括話筒輸入和耳機(jī)輸出兩個(gè)部分。話筒輸入到a／d采樣口之間月lm324n運(yùn)算放大器構(gòu)建一個(gè)兩級(jí)防混疊低通濾波器。在d／a口到耳機(jī)輸出之間使用spy0030功率放大器，可提供最大500mw的輸出功率。電源管理模塊采用了spy0029，可以提供3.14v的低功耗電壓標(biāo)準(zhǔn)。rs232通信接口主要負(fù)責(zé)與pc機(jī)的通信。這里采用max232芯片，可同時(shí)提供兩個(gè)通道的rs2.32通信連接。

    在pc機(jī)上軟件的功能模塊圖中，全部模塊由visual c++實(shí)現(xiàn)，具有友好的人機(jī)交互界面。其中通信模塊實(shí)現(xiàn)所有的通信任務(wù)，語(yǔ)音算法模塊集成有各類語(yǔ)音壓縮、數(shù)字濾波、靜音檢測(cè)以及短時(shí)分析等算法；分析模塊可以提供圖形界面，顯示語(yǔ)音的波形圖和頻譜特征；語(yǔ)音算法模塊和分析模塊僅為研究數(shù)字語(yǔ)音算法提供方便。

    2 adpcm編解碼原理

    adpcm是語(yǔ)音壓縮編碼中復(fù)雜度較低的一種方法。它利用語(yǔ)音信號(hào)的非平穩(wěn)特點(diǎn)，使用自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化，能在32kb／s數(shù)碼率上達(dá)到64kb／s數(shù)碼率的語(yǔ)音質(zhì)量(mos分為4.1)，從而符合進(jìn)入公用網(wǎng)的要求。由于adpcm具有這樣的優(yōu)越性能，目前它在電信長(zhǎng)途傳輸系統(tǒng)中和各類音頻傳輸或處理系統(tǒng)中已得到了廣泛的應(yīng)adpcm編碼原理如圖2所示。

    adpcm的核心思想是：①利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小，即使用小的量化階(step-size)去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值；②使用過(guò)去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測(cè)值，使實(shí)際樣本值和預(yù)測(cè)值之間的差值總是最小。

    這里采用了后向自適應(yīng)量化和預(yù)測(cè)。其主要原理是，根據(jù)前一時(shí)刻量化器的輸出數(shù)字碼來(lái)確定量化器的量化間隔，并根據(jù)前一時(shí)刻的逆量化值來(lái)確定這一時(shí)刻預(yù)測(cè)器的輸出。

    量化算法符合jayant算法，即△(k+1)=△(k)m（|i（k）|）其中，△(k+1)和△(k)分別為這一時(shí)刻和前一時(shí)刻的量化間隔，i(k)為前一時(shí)刻輸出的碼字，而m指以碼字為自變量的關(guān)系函數(shù)，取值如下：

    |i(k)|值為1，2，3，4，5，6，7，8；

    m（|i(k)|）值為0.9，0.9，0.9，0.9，1.2，1.6，2.0，2,4。

    預(yù)測(cè)算法采用參數(shù)修正算法， 即pred(k+1)=pred(k)+d(k）+α△(k)其中，△(k)為前一時(shí)刻量化間隔，pred(k)和pred(k+1)分別為前一時(shí)刻和這一時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，d(k)為前一時(shí)刻的差值，α是修正參數(shù)。

    adpcm的具體數(shù)學(xué)推導(dǎo)可見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]和[3]。

    3 嵌入式語(yǔ)音通信平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

    3.1 語(yǔ)音編解碼實(shí)現(xiàn)策略

    這里的編解碼都在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。為了提高語(yǔ)音編碼的速度，所有的編解碼運(yùn)算全部用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)：伹由對(duì)adpcm的原理介紹可知，在編碼過(guò)程中，計(jì)算量化間隔涉及到小數(shù)乘法。這在定點(diǎn)微處理器中實(shí)現(xiàn)起來(lái)是比較復(fù)雜的：需要判斷差值的大小，再進(jìn)行相應(yīng)的小數(shù)變整數(shù)、乘除、整數(shù)變小數(shù)等一系列變換才能得到當(dāng)前量化間隔的值，算法復(fù)雜度比較高。針對(duì)這一情況，本文采用二級(jí)檢索的方法求量化間隔。具體算法如下：

    ①根據(jù)jayant算法建立量化間隔表stepsizetable[45]和量化間隔索引變化表indexvariaty[8]；

    ②設(shè)索引初值index=0；

    ③利用當(dāng)前差值的量化絕對(duì)值differ，查indexvaria-tytable[]，得到索引的當(dāng)前變化量indexvariaty；

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