多路語音實(shí)時(shí)采集與壓縮處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?　在語音的數(shù)字通信和數(shù)字存儲(chǔ)等應(yīng)用領(lǐng)域，需要對(duì)多路語音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和壓縮處理。如某語音記錄設(shè)備，需要對(duì)8路語音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和壓縮處理，而且要求對(duì)采集到的語音數(shù)據(jù)的壓縮率盡量高。一般地，當(dāng)要求語音數(shù)據(jù)壓縮后的碼流在10 Kbps左右時(shí)，需要采用語音的模型編碼技術(shù)。而模型編碼算法的運(yùn)算量很大。因此，如一方面要求對(duì)多達(dá)8路的語音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，另一方面又要求對(duì)各路的語音信號(hào)進(jìn)行較高壓縮率的實(shí)時(shí)壓縮處理，對(duì)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)提出了更高的要求。
　　由于VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，DSP（Digitalsig－nal processor數(shù)字信號(hào)處理器）的性能價(jià)格比得到了很大的提高，使得利用DSP的高速數(shù)據(jù)管理能力和處理能力來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集和處理成為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理的一個(gè)新的發(fā)展方向。基于此，本文介紹的多路語音實(shí)時(shí)采集與壓縮處理系統(tǒng)采用了高速DSP技術(shù)。
　　1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
　　1．1　系統(tǒng)主要性能指標(biāo)
　　采集語音信號(hào)通道數(shù)：8
　　語音信號(hào)帶寬：300～3 400 Hz
　　采樣速率：8 000 Hz
　　語音回放通道數(shù)：1
　　每路語音信號(hào)壓縮后碼流：13 Kbps
　　擴(kuò)展ISA總線接口
　　系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上包括三個(gè)主要部分，即8通道A／D和1通道D／A部分，DSP最小系統(tǒng)及DSP的DMA與ISA總線的接口。如圖1所示。
　　
　　1．2　A／D及D／A
　　該部分由9片A－Law CODEC芯片TP3057組成。其中8片構(gòu)成8通道A／D轉(zhuǎn)換器，另一片構(gòu)成D／A轉(zhuǎn)換器，直接由DSP控制。該芯片采樣數(shù)據(jù)是8 000×8 bit A－Law PCM數(shù)據(jù)，每通道數(shù)字信號(hào)的輸入和輸出是64 KbpsPCM同步串行碼流。數(shù)據(jù)傳輸碼流速率是2．048 Mb／s。8片A－Law CODEC均掛接在同一2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線上，2．048 Mb／s的數(shù)據(jù)分為32個(gè)時(shí)隙，每個(gè)通道的64Kbps數(shù)據(jù)的傳輸占用32個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)。具體占用那一個(gè)時(shí)隙由時(shí)隙分配控制電路確定。
　　1．3　DSP最小系統(tǒng)
　　DSP是本系統(tǒng)核心部分，它完成對(duì)2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線的控制，及對(duì)高達(dá)2．048 Mb／s串行數(shù)據(jù)碼流的采集、8路輸入語音的壓縮處理和1路語音的解壓縮處理。本系統(tǒng)采用的DSP是AnalogDevice公司的定點(diǎn)DSP，即ADSP－2181，其主要功能與特點(diǎn)如下：
　?。?）外接16．67 MHz晶振，指令周期為30 ns，33 MIPS運(yùn)算速度，所有指令單周期執(zhí)行。
　?。?）提供一個(gè)16位的DMA（IDMA）口，用于高速存取片內(nèi)存儲(chǔ)器及裝載數(shù)據(jù)和程序。
　　（3）提供一個(gè)8位自舉DMA（BDMA）口，用于從自舉程序存儲(chǔ)器中裝載數(shù)據(jù)和程序。
　?。?）程序RAM 24Bit×16 K，數(shù)據(jù)RAM 16Bit×16 K。
　?。?）16位字長運(yùn)算精度。
　?。?）提供兩個(gè)雙緩沖區(qū)的串口，具有硬件A／u律編解碼和自動(dòng)緩沖（Auto－buffer）能力，其中的串口0具有多通道（Multichannel）的功能。
　　（7）提供6個(gè)外部中斷、13個(gè)可編程I／O引腳和JTAG仿真引腳。
　　由于DSP的上述功能和特點(diǎn)，使得DSP與A／D及D／A電路實(shí)現(xiàn)了無縫連接。其中串口0連接8路A／D的2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線，串口1連接D／A CODEC電路。由于DSP具有16 K的程序RAM和16 K的數(shù)據(jù)RAM，所以對(duì)于本系統(tǒng)無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器，即由單片DSP就構(gòu)成了本系統(tǒng)所需的最小DSP系統(tǒng)。
　　1．4　DSP的DMA與ISA總線的接口
　　ADSP2181片內(nèi)集成了一個(gè)直接訪問其內(nèi)部存儲(chǔ)器的16位DMA端口（IDMA PORT）。主機(jī)通過此接口可以直接訪問ADSP2181片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的任一單元。因而主機(jī)可以通過此端口對(duì)DSP加載程序、下載程序、讀取片內(nèi)執(zhí)行的狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)與DSP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。IDMA端口總線的16位數(shù)據(jù)和地址是復(fù)用的。由于DSP的程序存儲(chǔ)器是24位的，而DMA的數(shù)據(jù)總線寬度是16位，故對(duì)程序存儲(chǔ)器操作時(shí)，分為兩次，先對(duì)高16位操作，然后接著對(duì)最低8位操作。通過IDMA端口的存、取操作分如下兩步進(jìn)行：
　　·IDMA地址鎖定操作
　　通過IDMA的地址鎖存信號(hào)（IAL），將14比特的地址信息和1比特的存儲(chǔ)器類型信息通過IDMA總線，在地址鎖存信號(hào)（IAL）的降沿時(shí)被鎖入到DSP片內(nèi)的IDMA地址鎖存器。14比特地址信息確定了ADSP片內(nèi)的存儲(chǔ)器地址，而存儲(chǔ)器類型位用來區(qū)分操作是對(duì)程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
　　·數(shù)據(jù)存、取操作
　　當(dāng)?shù)刂沸畔⒈环湃氲絀DMAA寄存器中后，通過加IDMA的IWR，IRD信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)片內(nèi)的指定地址的信息進(jìn)行讀、寫操作。每次讀、寫操作后存儲(chǔ)器的地址值將自動(dòng)的遞增，為下一次的讀寫操作做好準(zhǔn)備。
　　本系統(tǒng)中通過ISA總線的I／O操作及IDMA口對(duì)DSP的內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問的。通過硬件譯碼滿足IDMA時(shí)序要求的控制信號(hào)IAL，IWR，IRD等及DSP的復(fù)位信號(hào)（RESET）。該接口占用了16個(gè)I／O地址空間。
　　1．5　通過IDMA端口裝載程序
　　ADSP2181通過兩種機(jī)制在上電、復(fù)位后自動(dòng)裝載DSP程序。兩種機(jī)制由MMAP和BMODE兩個(gè)引腳的電平控制。當(dāng)MMAP＝0，BMODE＝1時(shí)，ADSP2181自動(dòng)在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，通過IDMA端口由主機(jī)加載DSP程序。主機(jī)首先必須裝載除程序的第一條指令外其它程序和數(shù)據(jù)到DSP的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，最后才寫入對(duì)應(yīng)程序RAM第一個(gè)單元的第一條指令。一當(dāng)程序存儲(chǔ)器的0地址被寫入程序代碼后，DSP立即從地址0開始執(zhí)行程序。
　　2　8路語音信號(hào)的數(shù)據(jù)采集
　　8路語音數(shù)字信號(hào)通過一2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)紻SP。其中每個(gè)通道的數(shù)據(jù)是64 Kbps，每個(gè)通道占用2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線的32個(gè)時(shí)隙中的一個(gè)，因此，共占用8個(gè)時(shí)隙。DSP通過對(duì)時(shí)隙分配電路的控制給8個(gè)通道各分配一個(gè)時(shí)隙。這樣，8個(gè)通道的每個(gè)通道的數(shù)據(jù)都在由DSP指定的時(shí)隙中傳輸。
　　DSP的串口0是一個(gè)可編程的最大數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)到4．096 Mb／s的同步串行口。DSP串口0的操作在接收到一個(gè)WORD或發(fā)送完一個(gè)WORD的數(shù)據(jù)時(shí)，從DSP內(nèi)部RAM讀、寫一個(gè)WORD的數(shù)據(jù)需要占用DSP的一個(gè)機(jī)器周期（33 ns），在接收和發(fā)送過程中不占用DSP的處理時(shí)間。由此可見，DSP的串口0具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集與控制能力。
　　利用串口0的較強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集與控制能力，很容易實(shí)現(xiàn)通過2．048 Mb／s的同步串行數(shù)據(jù)總線對(duì)8通道語音數(shù)字信號(hào)的采集與控制。首先，編程DSP的串口0的同步時(shí)鐘信號(hào)及幀同步信號(hào)分別為2 048 kHz和8 kHz，這兩個(gè)信號(hào)控制CODEC的A／D轉(zhuǎn)換速率和位傳送速率，同時(shí)同步時(shí)鐘信號(hào)還可供CODEC的A／D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘。再者，編程DSP的串口0工作于多通道模式，打開32個(gè)時(shí)隙中對(duì)應(yīng)的8通道的時(shí)隙接收，使對(duì)應(yīng)的每通道字（WORD）長為8位，選擇A－Law壓／擴(kuò)，并打開自動(dòng)緩沖功能并設(shè)置自動(dòng)緩沖指針。當(dāng)如上對(duì)串口0初始化并打開串口0的接收中斷后，串口0將接收到的8 WORD的按A－Law解壓的數(shù)據(jù)存放在自動(dòng)緩沖指針指向的長度為8的緩沖區(qū)中，自動(dòng)緩沖指針自動(dòng)回位，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)硬件接收中斷。