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单片机解密中低端DSP芯片的语音处理算法如何分析

语音信号检测(VAD) 技术,目的是为正确区分语音与各种背景噪声。在语音信号处理和通信等领域,它有着十分重要的意义。本套算法集成了短时能量、过零率与短时平均幅度差(AMDF) 检测等算法的组合。

短时分析将语音流分帧处理,为减小语音帧的截断效应,需要加窗处理; 窗口的形状和长度对分析影响很大,不同的分析方法对窗函数的要求不尽一样; 可分为矩形窗、汉明窗和汉宁窗等。

通常认为一个语音帧内含有1~ 7 个基调周期比较理想,但人的语音的基调周期值是变化的,从女性和儿童2 ms 到老年男子的14 ms( 即基调频率为500Hz~ 70 Hz) , 所以N 的选择是比较困难的, 折衷的选择N 为100~ 300 点比较合适。

过零表示信号通过零值, 过零率即每秒内信号值通过零值的次数。对于离散时间序列,过零则是指序列取样值改变符号,过零率则是每个样本改变符号的次数。对于语音信号,则是指在一帧语音中语音信号波形穿过横轴( 零电平) 的次数,可以用相邻2 个取样改变符号的次数来计算。

对于完全的周期信号,则相距为周期的整数倍的采样点上幅值相等,差值为0。实际的语音信号是一个准周期信号,差值不为0, 但很小,这些极小值将出现在整数倍周期的位置上。

语音信号是一种时变的、非平稳的随机过程,从整体来看其特征及表征其本质特征的参数均是随时间变化的。但是,语音的形成过程与发声器官的运动密切相关,这种物理运动比起声音振动速度来要缓慢得多, 因此语音信号可以认为在一个较短的时间段内是平稳的, 即具有短时平稳性。

语音检测时,为保证检测的准确性,连续10 帧检测有效时才认为确实有语音,连续20 帧检测无效时才认为确实无语音。为了满足多帧检测需求,又不至于出现掉字情况,同时还要保证检测信号和语音信号的同步性,设计了一个环形缓冲区,模拟语音通道1 和通道2 各有一个对应的环形缓冲区delay1和delay2, 每一个环形缓冲区都有3 个指针:接收指针、处理指针和发送指针,分别供DMA 通道0 中断服务程序、短时能量子函数和短时平均幅度差子函数、DMA 通道1 中断服务程序使用。

系统的硬件实现,核心器件为低端DSP芯片TMS320VC5402 ( 以下简称C5402) , 片内DARAM 仅有16Kbyte, 地址有效范围0x0080H ~0x3FFFH, 其中配置地址有效范围为0x0000H ~0x005FH。

除算法外,在具体研制过程中遇到了双通道A/ D采样时通道无法有效控制、扩展片外RAM 后程序不能正常加载、系统因负荷过大不能正确启动等难题,通过长期的探索和尝试,这些问题都得到了妥善的解决, 并掌握了实现2 路A/ D 同时采样的状态控制字配置方法,为算法的实施打下了坚实的基础。

McBSP1 引脚控制寄存器相关配置与McBSP0相似,额外配置如下:发送时钟设置为内部模式; 接收时钟设置为外部模式; 发送时钟设置为下降沿触发。

提出了采用平均幅度、过零率和短时能量等系列算法进行语音处理的原理及具体实现方法,并介绍了承载该算法的硬件组成,实践证明该语音处理模块硬件小巧,语音质量好,易于实现,性价比较高。

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