2023年语音压缩存储与回放实验报告

DSP课程设计

实验报告

语音压缩、存储和回放

院系:电子信息工程学院

小组成员：

通信0607王颖06282023

自动化0601王燕06212023

目录

一、设计任务书封面1

二、设计内容与规定3

三、设计算法原理说明4

四、程序设计、调试与结果分析7

CMD程序，C语言程序7

调试过程15

波形与数据显示16

五、设计（安装）与调试的体会17

六、参考文献18

语音的压缩、存储与回放

一、设计规定与目的

(1)使用DSP实现语音压缩和解压缩的基本算法，算法类型自定，例如可以采用G.711、

G.729等语音压缩算法。

(2)采用A/D转换器从MIC输入口实时采集语音信号，进行压缩后存储到DSP的片内和

片外RAM存储器中，存储时间不小于10秒。

(3)存储器存满之后，使用DSP进行实时解压缩，并从SPEAKER输出口进行回放输出。

⑷使用指示灯对语音存储和回放过程进行指示。

发挥部分：

使用多种算法进行语音的压缩、存储和解压缩，比较它们之间的优缺陷。

二、实验目的

1、通过本实验掌握5402DSP片上外设多通道缓冲串行口mcbspo

2、学习掌握tic320ad50CODEC编译码器的内部结构、工作原理。

3、学习A律语音压缩以及C语言下的编程方法。

三、实验原理

1.语音采集与输出模块

语音采集与输出模块采用的是TI公司推出的一款高性能的立体声音频Codec芯片TLC

320AD50C,内置耳机输出放大器，支持MIC和UNEIN两种输入方式(二选一)，且对输入

和输出都具有可编程增益调节。AD50的模数转换(ADCs)和数模转换(DACs)部件高度集成

在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术,可以在8K到96K的频率范围内提供

16bit、2Obit、24bit和32bit的采样,ADC和DAC的输出信噪比分别可以达成90dB和

lOOdB。与此同时,AD50还具有很低的能耗，回放模式下功率仅为23mW,省电模式下

更是小于15uWe由于具有上述优点，使得AD50是一款非常抱负的音频模拟I/O器件,

可以很好的应用在随声听(如CD,MP3……)、录音机等数字音频领域⑵。由TLC320AD5

0C组成的语音输入与输出模块不仅采样率高最高可达96K,且外围电路简朴，性价比高。

2.语音编码

(1)概念：

语音编码一般分为两类：一类是波形编码，一类是被称为“声码器技术”的编码。

PCM编码即脉冲编码调制。

波形编码的最简朴形式就是脉冲编码调制(PulsecodemoduIation),这种方式

将语音变换成与其幅度成正比的二进制序列，而二进制数值往往采用脉冲表达，并用脉冲对

采样幅度进行编码，所以叫做脉冲编码调制。

脉冲编码调制没有考虑语音的性质，所以信号没有得到压缩。

(2)量化：

脉冲编码调制用同等的量化级数进行量化，即采用均匀量化，而均匀量化是基本的量化

方式。但是均匀量化有缺陷，在信号动态范围较大而方差较小的时候，其信噪比会下降。

国际上有两种非均匀量化的方法:A律和u律,u律是最常用的一种。在美国,7位u律是

长途电话质量的标准。而我国采用的是A律压缩，并且有标准的A律PCM编码芯片。

⑶DPCM&ADPCM:

减少传输比特率的方法之一是减少编码的信息量，这要消除语音信号中的冗余度。相邻

的语音样本之间存在明显的相关性，因此对相邻样本间的差信号进行编码，便可使信息量得

到压缩。由于差分信号比原语音信号的动态范围和平均能量都小。这种编码叫Differentia

1PCM,简称DPCM,即差分脉冲编码调制。

ADPCM即自适应差分脉冲编码调制，是涉及短时预测的编码系统。CCITT(国际电报

电话征询委员会)在1984年提出的32kbit/s的编码器建议就是采用ADPCM作为长途传输

中的国际通用语音编码方案。这种ADPCM编码方案达成64kbit/sPCM的语音传输质

量，并具有很好的抗误码性能。

(4)a律压缩

a律压缩示意图

A律压缩编码表

A律压缩编码表

线性输入编码压缩编码

0000000wxyza000wxyz

OOOOO0Iwxyza00Iwxyz

000001wxyzab0lOwxyz

000Olwxyzabc01Iwxyz

0001wxyzabed1OOwxyz

001wxyzabede101wxyz

01wxyzabcdef11Owxyz

1wxyzabcdefg111wxyz

采用DSP可以直接对PCM编码后的语音信号进行口律和A律压缩。图1是DSP硬

件实现数据压缩解压的简朴流程，DSP将传输来的压缩后的数据进行解压成16位或者3

2位，然后对解压后的数据进行分析、解决，最后将解决后的数据按照规定压缩成8位的数

据格式输出到相应设备，供其他设备读取。

图1数据压缩解压流程

图2是DSP将数据解压的值,DSP将压缩的8位数据解压成16位的DSP通用数据格

式，其中高13位为解压后的数据，低3位补0。这是由于6.711的A律压缩只能对13

位数据操作。DSP将解压后的数据放在缓冲串口的发送寄存器中,只要运营发送指令，缓冲

串口就会将数据发送出去。缓冲串口对接受数据的解压过程和压缩过程完全相反。图3是|J

律数据解压的示意图。

15320

发送缓冲器'S—I0_

A律一

图2A律数据解压

15210

发送缓冲器:值I0二

u律

图3口律数据解压

DSP内部的缓冲串口（McBSPs）带有硬件实现的p律/A律压缩解压，用户只需要在相

应寄存器中进行设立就可以了。

在进行A律压缩时，采样后的12位数据，默认其最高位为符号位，压缩时要保持最高位

即符号位不变，原数据的后11位要压缩成7位。这7位码由3位段落码和4位段内码组

成。具体的压缩变换后的数据根据后11位数据大小决定.

表2A律数据压缩表

12位码（十进制）■阶符号位段落码（二进制）段内码（二进制）

01111

16-31100010000-1111

32〜63200100000〜1111

64~127400110000~1111

3〜255801000000-1111

256-5111601010000-1111

51270233201100000~1111

1024~20476401110000-1111

除对串行口数据实现压扩解决外，这套硬件在McBSP不使用时还可以当作一个特殊的

解决单元对内部数据实现压扩解决，他有两种实现方法。

法一：当串行口的发送和接受部分都处在复位状态时,DRR1和DXR1内部通过压扩逻辑

连接在一起,数据从DXR1写入并根据XCOMPAND解决，然后根据RCOMPAND再解决，在

4个CPU时钟后从DRR1中读出数据。该解决比软件实现快，不利之处在于解决完后没有同

步信息告知CPU和DMA。

法二:在数据环回模式下,McBSP也实现了一种内连。数据解决与第一种方法相同，但它

可以提供中断信号（或同步事件）给CPU（或DMA）。这里数据解决的时间是根据串行口的比

特律拟定的。

此外,在通常情况下McBSP先传输信号的高位后传输低位，但是在字长为8比特的数据传

输时，McBSP提供了比特倒序的功能，即可以先传输低位后传输高位。

在本实验中，我们通过软件编程来完毕线性码转换成A律。

语音信号通常是小信号概率大，大信号出现的概率小，为提高小信号时的量化信躁比，

压缩比特速率，可为非线性量化。语音压缩是把16位的数据比特转化为8位数据比特，从

而到达语音压缩的目的。

在主程序中通过A/D抽样量化，可以得到16位的线性编码，再由编码表通过软件计算得

到8位A律编码，其中最高位为符号位，第6位到第4位为段落码，低4位为段内码。将8

位的压缩结果存储到系统RAM中进行缓存，根据抽样率、语音存储时间以及系统RAM的容

量设立语音存储缓冲区的大小，待缓冲区存满后，将缓冲区内的数据进行解压缩，然后输出

到SPEAKER接口输出端。

若使用A/D转换器，必须一方面对A/D转换器进行初始化设立，即设立A/D转换器的

工作模式、输入增益以及抽样频率等。

3.程序设计

(1)、程序流程

存储器的分派(5402.cmd)

MEMORY

PAGE0:VECS:origin=0080h,length=0080h/*Interna1

ProgramRAM*/

PRAM:origin=7600h,1ength=80OOh/*Internal

ProgramRAM*/

PAGE1：SCRATCH：origin=0060h,length=0020h/*ScratchPad

DataRAM*/

DMARAM:origin=OCOOh,length=0300h/*DMA

buffer*/

DATA:origin=1100h,1ength=0080h/*In

ternalDataRAM*/

STACK:origin=118Oh,1ength=0560h/*Stack

MemorySpace*/

INRAM:origin=19OOh,length=0100h/*Internal

DataRAM*/

HPRAM0：origin=1A00h,length=0002h/*HPImem

oryaccessiblebyIiostandDSP*/

HPRAMI:origin=1A02h,1ength=028Oh/*HPI

memoryaccessiblebyHostandDSP*/

HPRAM2:origin=1C82h,length=0280h/*HPImemory

accessib1ebyHostandDSP*/

EXRAM:origin=lFlOh,1ength=9000h/*External

DataRAM*/

)

SECTIONS

.cinit>PRAMPAGE0

.text>PRAMPAGE0

.vectors>VECSPAGE0

initvar>PRAMPAGE0

detect>PRAMPAGE0

vrcprg>PRAMPAGE0

matprg>PRAMPAGE0

,stack>STACKPAGE1

.trap>SCRATCHPAGE1

.cons>EXRAMPAGE1

.data>EXRAMPAGE1

bss>EXRAMPAGE1

,cio>EXRAMPAGE1

,switch>EXRAMPAGE1

tables>EXRAMPAGE1

var>EXRAMPAGE1

svctab>EXRAMPAGE1/*SS_VLSPtable*/

vctab>EXRAMPAGE1/*VLSPtable*/

uvctab>EXRAMPAGE1/*UVLSPtable*/

cuvtab>EXRAMPAGE1/*StochaSticcodebook*/

cdbktab>EXRAMPAGE1/*variouscodebooktabies

*/

logtab>EXRAMPAGE1/*tablefcrlog2*/

powtab>EXRAMPAGE1/*tableforp]ow2*/

hamtab>EXRAMPAGE1/*tableforhamming*/

1gwtab>EXRAMPAGE1/*tableforlagwindow*/

acostab>EXRAMPAGE1/*tab1efora；rccos*/

sqrtab>EXRAMPAGE1/*tableforsquareroot

*/

acbtab>EXRAMPAGE1/*tabieforthresho1dsina

cb*/

pm03tab>EXRAMPAGE1tableforx"(-0.3)

computation*/

costab>EXRAMPAGE1/*tableforcosine*/

V23>INRAMPAGE1

FSK>INRAMPAGE1

hpibuffO>HPRAMOPAGE1

hpibuff1>HPRAMlPAGE1

hpibuff2>HPRAM2PAGE1

dmabuff>DMARAMPAGE1

}

/*主程序设计*/

/*语音采集及回放程序*/

/*用A律进行压缩及解压*/

/*采用AD50进行A/D,D/A转换*/

/火灯循环闪烁程序开始*/

/*L0：录音*/

/*L1：放音*/

#include<type.h>/*头文献*/

#include<board.h>

#inc1ude<codec.h>

#include<mcbsp54.h>

/*宏定义*/

#defineoSIGN_BIT(0x80)/*SignbitforaA-lawbyte.*/

#defineoQUANT_MASKO(oxf)«>/*Quantizationfieldmask.*/

#defineNSEGS*8)。/*NumberofA-lawsegments.*/

#define<>SEG_SHIFT(4)oo/*Leftshiftforsegmentnumber.

*/

#defineSEG_MASK(Ox70)“*Segmentfieldmask.*/

/*函数声明

*/

voiddelay(sl6period)；

voidled(sl6ent)；

voidinitcodec(void)；

voidflashenable(void)；

unsignedchardata2a1aw(si6pcm_val)；

intalaw2data(unsignedcharoa_va1);

staticintsearch(intval,short*»^table,intsize);

/*全局变量*/

HANDLEhHandset;

s16data;

sl6datal;

ul6i=0;

ul6temp1;

ul6j=0;

u16k,1=0；

u8temp2;

ul6buffer[20230];

staticshortseg_end[8]={OxlF,0x3F,0x7F,OxFF,0xlFF,0x3FF,0

x7FF,OxFFF);

/*主函数*/

voidmain()

if(brd_init(100))

return；

led(2)；//闪灯两次

initcodec();//初始化codec

f1ashenable()；〃选择片外FLASH为片外存储器

/*

delay(100);

brdledtogg1e(BRD_LEDO)：

for(i=0x9000;i<0xefff;i++)

(

REG_WRITE(i,*(volatileul6*)DRR1_ADDR(HANDSET_C0DEC));

delay(20);

)

brd_ledtoggle(BRDLED1);

delay(200);

for(i=0x9000；i<0xefff;i++)

(

*(volatileu16*)DXR1_ADDR(HANDSET_CODEC)-REG_READ(i);

delay(20)；

}

brd_1ed_toggle(BRD_LED2);

*/

while(1)

(

while(!MCBSP_RRDY(HANDSET_CODEC)){};//等待接受h

andset处的采样

brd1edtoggle(BRD_LEDO);

data=*(volatileul6*)DRR1_ADDR(HANDSET_CODEC)；//从hands

et处读取采样

templ=data2alaw(data);〃对采样进行a律

压缩

/*把低地址数据放在高八位高地址数据放在低八位*/

i=i+1;

oif(i%2==l)

00{

buffer[j]=(templ<<=8);

o/*奇数数据左移8位templ=abcdefghOOOOOOO0

g«>buffer[p1*/

oao)

else

3(

oobuffer[j]=(buffer[j]Itempi);

g/*偶数数据与temp1取或组成新的数据

buffer[j]=ab

cdefghiabcdefghi*/

gj++;〃j加1

0)

if(i>=40000)

8(

g}

oif(j>=20230)

6(

。j=0;

。wbrd_led_disab1e(BRD_LEDO)；

。«>brd1ed_toggle(BRDLED1);

//点亮二极管1表达放

音开始

/*放音部分

*/

for(k=0;k<40000;k++)

06(

。08if(k%2==0)

0b0(

。。temp2=(buffer[1]>>8)&OxOff;

08d}

。qelse

000{

。^temp2=buffer[l]&OxOff；

。。1++；

oo}

ooif(l>=20230)

。。1=0；

00data1=a1aw2data(temp2)；//a律解压

while(!MCBSP_XRDY(HANDSET_CODEC)){};

3"(volatileu16*)DXRIADDR(HANDSETCODEC)=datai；〃将

数据写入D/A转换器

»)

/*放音结束

o。brdled_toggle(BRDLEDO)；

brd_led_toggle(BRD_LED1);

00

000

)

)

)〃主程序结束

/*子函数*/

/*******延时******/

voiddelay(s16period)

inti,j;

for(i=0;i<period；i++)

for(j=0;j<period>>l;j++);

)

)

/*****大*闪灯****火*/

voidled(si6ent)

(

while(cnt—)

brd_led_toggle(BRD_LED0)；//切换LED指示灯0的显示状

态

odelay(1000);

brd_1ed_toggle(BRD_LED1);

火lelay(1000)；

obrd_led_toggle(BRD_LED2)；

delay(1000);

)

)

/*****初始化codec**/

voidinitcodec(void)

/*OpenHandsetCodec获取设立codec的句柄*/

hHandsetcodec_open(HANDSET_CODEC);/Acquirehandiet

ocodec

/*Setcodecparameters*/

codecdac_mode(hHandset,CODEC_DAC_15BIT);//DACin15-bi

tmode

codec_adc_mode(hHandset,C0DEC_ADC_15BIT);//ADCin15—

bitmode

codec_ain_gain(hHandset,CODEC_AIN6dB);//6dBgainona

na1oginputtoADC

codec_aout_gain(hHandset,C0DEC_A0UT_MINUS_6dB);

//-6dBgainonan

alogoutputfromDAC

codec_sample_rate(hllandset,SR_8000)；//8KHzsa

mp1ingrate

)

/*****设立flash****/

voidflashenab1e(void)

I

CPLD_CTRL2_REGI=0x0010;

CPLD_DMCTRL_REG|=Ox0040;

}

/*****a律压缩******/

unsignedchardata2alaw(s16pcmva1)。

tomask;

int。seg;

unsignedchareava1;

oif(pcm_va1>=0)

°(

。mask=0xD5;。//标记(7th)bit=1

。｝

oelse

°(

emask=0x55;抽//标记bit=0

pcm_va1=-pcm_va1;

d

。//Convertthesealedmagnitudetosegmentnumber.

oseg=search(pcm_va1,seg_end,8)；

//Combinethesign,segment,andquantizationbits.

if(seg>=8)o//outofran

ge,返回最大数.

«>return(0x7F八mask);

«>else

aval=seg<<SEG_SHIFT；

if(seg<2)

oooavalI=(pcm_val»1)&QUANT_MASK;

oeIse

<»ava1(pcm_val>>seg)&QUANT_MASK;

oreturn(ava1mask);

。｝

)

/****alaw的子程序**/

staticintsearch(intval,short沐tabie,intsize)

I

int;

ofor(i=0;i<size;i++)

°(

®if(va1<=*table++)

oreturn(i);

d

。return(size);

)

/*****a律解压******/

intalaw2data(unsignedchar阳_va1)

I

intt;

ointoseg；

a_val=0x55;

t=(a_val&QUANTJIASK)<<4;

®seg=((unsigned)a_val&SEG_MASK)>>SEG_SHIFT;

oif(seg==0)

。©t+=8；

«>t=(t>>3);

}

。if((seg<4)&&(seg>0))

°{

t+=0x108;

t=(t»(4-seg));

)

if(seg>3)

t+=0x108;

ot=(t<<=(seg-4))；

return((a_val&SIGN_BIT)?t：—t);

)

/*结束*/

四.操作过程

1.将工程文献夹放入C盘规定目录下。

2.打开CCS,Project-open,打开工程文献。

3.进行编译，连接。

4.根据错误提醒，对buildoption进行对的的设立，修改头文献途径。

5.再编译，连接，显示没有错误。

6.loadprogram—run,此时三盏灯循环亮，之后程序开始，第一盏灯亮

开始录音，一段时间后第二盏灯亮开始放音，然后又开始录音。依次循环.

五.调试过程与运营结果

1.观测数据结果

Viewwatchwindow

我们输入buffer,显示此数组的值，如图D所示。

2.观测数据图形

ViewGraphTimeFrequency

可以加入断点，然后按Animate动态显示。

分别观测语音输入(存放在变量data中)波形，压缩后波形(tempi),解压后输出波形(da

ta1)，图形分别为A,B,Co

3.观测存储器中数据

ViewMemory

通过多次调试，使录音时间在保持音质的前提下达成5-6秒。

A.输入波形(data)

用w□E3asE]E30«±

方

西

口

蚓

CJ

-stockoptiont。changethedefoultsize.-I

dComplete.

Errors,1Warnings,0Ramarks.

•.大回营H

«/C54G2DSKZCFV.lDnct-Ntorosoft

B.压缩后波形(temp1)

Z/C5402DSK/CPU_1-C54X-CodeCoaposexStudio-[GraphicalDisplay!RTj西冈

区E>1«NditYi»Eroj.ctp.bucFcefil.r<；ELOptionToolsDSF/BIOSNind。*K.lp

图。7|>“-31。I・・AW.,1iZIZI♦(♦­♦=%.♦-

inu.i>jtKiD.bo<3，掰蛆/"-*'•

用w|30醺回日回心

-stockoptiontochangethedefaultsize.

dComplete.

Errors,1Warnings,0Remarks.

］，「「|\BMd厂1臼

阳英。•.大通冷工|J

»c*o'X/C5402OSK/Crv_l.QBoel-Mtcrosoft々占二•叼。20。4

C.解压缩后输出波形(datal)

I^/CM07DSJt/CPIl_l-Cb4X-Coi!«C»i>ox«rStudio-[Crxphi<:M1n>xi>lxy]

B©回因

E>1«Kd>tY***Er»j«ct£«bucProf，1”柒LOptionX«»l(D£P/BIOSn，nd”H«lp

I心第I匚工

i|D«bu(

国曲㈡国85回日画d

变

国

口

南

幻

dComplete.

Errors,1Warnings,0Remarks.

I-J"I*hBiMW/

发英，：•大陋I5工|