基于低比特率语音算法MCU的设计与实现

论文摘要

语音编码是利用冗余度或者语音听觉上的制约来压缩语音信号中的不必要信息，从而达到降低传输速率或存储容量的目的。本文利用这两方面特性来实现对语音数据的压缩，并完成算法的软件与硬件实现。本文首先介绍波形编码算法的原理并详细论述了自适应差分脉宽编码调制(ADPCM)算法的原理及实现过程，利用VC6.0进行了软件仿真；在此基础上，利用Verilog HDL对该算法进行了集成电路设计，并用Modsim SE6.1对算法进行了仿真，验证，与测试，最后用Synplify Pro 7.3对电路作了综合，并且具体讨论了在设计过程中遇到的问题及解决方法。由于此算法受数码率的限制，它适合对语音音质要求较高的场合。另一部分对参数编码算法中常用到的关键技术进行了深入的剖析，并对代数码激励线性预测编码(ACELP)的原理及各功能模块进行了细致的分析，在此过程中，对关键功能模块的执行效率与代码实现及优化都进行了分析讨论，这为后面硬件实现奠定了基础，最后用软件进行了仿真，并将其结果与ADPCM编码效果作了比较，对其差异作了分析解释。最后对ACELP算法的硬件实现进行了讨论。本文的硬件采用的是IP C.CORE，它对乘法运算占用较多的指令周期，而此算法中乘法运算占用较大的比重，所以本文设计了专用的乘法器，同时对算法代码实现作了大量的优化，并对算法中主要模块的运算量作了统计分析。最终完成了ACELP算法的硬件实现，但要达到实际应用中高效实时的需求，还需进一步的完善优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本课题研究的意义
• 1.3 论文的研究内容及系统规划
• 1.4 论文章节的安排
• 第二章 波形编码算法及数字语音系统设计
• 2.1 语音信号编码原理及仿真
• 2.1.1 波形编码原理
• 2.1.2 波形编码算法分类比较
• 2.1.3 自适应差分脉冲编码调制原理
• 2.1.4 软件实现编码
• 2.1.5 软件实现编解码结果
• 2.2 数字语音系统的设计
• 2.2.1 数字语音编码部分实现
• 2.2.2 编码部分验证与综合
• 2.2.3 数字语音解码部分实现
• 2.2.4 数字语音系统解码仿真测试
• 2.2.5 仿真结果
• 2.2.6 综合结果
• 2.2.7 系统设计的困难及解决
• 2.3 本章小节
• 第三章 低比特率语音编码的关键技术
• 3.1 语音信号特点的分析
• 3.2 参数编码算法比较
• 3.3 语音算法模型的建立
• 3.4 短时处理技术
• 3.5 线性预测编码分析
• 3.5.1 线性预测分析的原理
• 3.5.2 线性预测方程的建立及求解
• 3.6 矢量量化
• 3.7 码激励线性预测
• 3.8 本章小节
• 第四章 ACELP编解码算法原理
• 4.1 编解码原理
• 4.1.1 编码原理
• 4.1.2 解码原理
• 4.2 编码功能模块
• 4.2.1 预处理
• 4.2.2 线性预测编码分析
• 4.2.3 线谱频率分析
• 4.2.4 LSP矢量量化
• 4.2.5 短时感觉加权滤波器
• 4.2.6 开环基音周期
• 4.2.7 谐波噪声形成滤波器
• 4.2.8 联合滤波器（脉冲响应）
• 4.2.9 闭环基音周期预测
• 4.2.10 编码比特分配
• 4.3 解码功能模块
• 4.3.1 线谱频率解码
• 4.3.2 激励搜索（ACELP）
• 4.3.3 自适应码本激励解码
• 4.3.4 固定码本激励解码
• 4.3.5 增益放大部分
• 4.4 本章小节
• 第五章 ACELP的软硬件实现及改进
• 5.1 软件的实现及与ADPCM算法比较
• 5.2 硬件MCU的设计
• 5.2.1 硬件系统的规划
• 5.2.2 仿真结果
• 5.3 程序代码优化
• 5.4 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 需进一步进行的工作
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表和递交的论文
• 致谢