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適于語音處理的SDA80D51芯片及其數(shù)字錄放音系統(tǒng)
摘要：SDA80D51 UNISPEECH是Infineon公司新推出的具有DSP和單片機(jī)雙核的芯片。介紹了該芯片的組成框圖及各功能模塊，并且用該芯片完成一個(gè)硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了語音的G.723.1編碼存儲(chǔ)和解碼放音。關(guān)鍵詞：G.723.1 Sigma-Delta調(diào)制 前后臺(tái)
目前市場上有很多語音錄放系統(tǒng)，如錄放音玩具、錄音筆等，大多采用了單片機(jī)控制一個(gè)語音芯片，再接一個(gè)FLASH存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。由于語音芯片都是固定的編碼算法，使得系統(tǒng)用途單一，不利于進(jìn)一步改進(jìn)，缺乏靈活性，如日本OKI公司的MSM6588只能完成ADPCM編碼。
用SDA80D51芯片實(shí)現(xiàn)的語音錄放音系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件簡單、工作可靠。所有的編解碼算法都由軟件來完成，設(shè)計(jì)者可以編制自己的軟件，完成不同的功能。它既可以作為簡單的數(shù)字錄放音系統(tǒng)，也可以通過改變程序做語音識(shí)別、語音合成等多種系統(tǒng)。用途靈活、功能強(qiáng)大。該系統(tǒng)選用G.723.1語音編解碼算法來完成語音的錄放。
1 SDA80D51芯片介紹
SDA80D51芯片是德國Infineon公司生產(chǎn)的適合語音處理的芯片，它采用0.18μm工藝，核的工作電壓為1.8V，I/O電壓為3.3V,模擬Codec部分電壓2.5V，功耗是150mW。該芯片相當(dāng)于一個(gè)片上系統(tǒng)（SOC），內(nèi)部集成了許多功能模塊，如圖1所示。由于它集成了許多功能模塊，如圖1所示。由于它集成了許多功能塊，幾乎只需要一片芯片就能完成語音處理和系統(tǒng)控制。
該芯片含有兩個(gè)處理器，分別是16位DSP（OAK）和8位MCU（M8051 E-Warp）。M8051 E-Warp核由美國Mentor Graphics公司設(shè)計(jì)，它是與一般8051兼容的MCU，具有很多的增強(qiáng)功能，最高工作速度可達(dá)50MIPS（Million Instruction per Second），是目前為止最快的增強(qiáng)8051。傳統(tǒng)8051的一個(gè)機(jī)器周期是12個(gè)時(shí)鐘周期，而這個(gè)核心只需2個(gè)時(shí)鐘周期，速度傳統(tǒng)8051的6倍。許多指令都能在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。由于指令與8051兼容，使得程序員不用花許多時(shí)間學(xué)習(xí)新指令，而直接采用傳統(tǒng)的8051編程方式就行。芯片集成有JTAG口，用Mentor Graphics公司的FS2（First Silicon Solutions）仿真器就可以實(shí)現(xiàn)在線仿真。
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OAK核是美國DSP Group公司設(shè)計(jì)的16位低功耗、低電壓和高速定點(diǎn)DSP。采用雙金屬CMOS，在0.6μm或0.5μm以下工藝生產(chǎn)。工作電壓范圍在2.7V～5.5V。在5V 80MHz工作條件下，消耗電流38mA；在3.3V 80MHz條件下，消耗電流25mA。該核采用Harvard總線結(jié)構(gòu)，工作速度可達(dá)100MIPS。
Codec部分由I2S、ADC和DAC組成。I2S口可用來外接一些通用的模/數(shù)芯片。兩路的12位8kHz采樣率的ADC，可接峰峰值為1.03V的差分電壓。片內(nèi)有數(shù)字AGC，可放大0到42dB(8檔，6dB步長)；模/數(shù)轉(zhuǎn)換采用Sigma-Delta調(diào)制技術(shù)并經(jīng)過一度的換算，得到16bit的PCM碼流，送往處理器。兩路11位8kHz采樣率的DAC可軟件調(diào)節(jié)增益，可放大0到-18dB(-6dB步長)。所有Codec部分可通過ASI接口連到OAK或M8051上。
SDA80D51芯片還有I2C、SPI和PWM接口模塊，可以通過M8051來控制。另外在不同版本的芯片上還有多達(dá)50到250之間的GPIO（通用的輸入輸出口），這可以保證系統(tǒng)控制的靈活性。
該芯片最有特點(diǎn)的功能模塊是存儲(chǔ)器管理單元MMU（Memory Manage Unit），它可以管理兩個(gè)核的存儲(chǔ)區(qū)映射。物理存儲(chǔ)器（RAM或ROM）被看成由多個(gè)塊組成，每個(gè)塊的大小在不同版本的芯片上定義是不同的，本系統(tǒng)中，塊的大小是16K字節(jié)（或8K節(jié)）。MMU既可以把塊（8K字）映射給OAK的程序區(qū)或數(shù)據(jù)區(qū)，也可以把塊（16K字節(jié)）映射給M8051的程序區(qū)或數(shù)據(jù)區(qū)。這些完全由寫M8051的特殊功能寄存器來完成。存儲(chǔ)空間的自由掛接使得完成兩個(gè)核之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換變得非常容易。此外，程序裝載和啟動(dòng)也需要MMU的控制。
整個(gè)芯片的工作方式是M8051作為主控制芯片，完成對各種接口的控制和系統(tǒng)的配置。OAK作為協(xié)處理器，完成語音編解碼算法等計(jì)算。兩個(gè)核之間還有兩個(gè)64字深的FIFO。它們用于雙核通信。
2 G.723.1語音編解碼
語音編解碼算法一般分為三類：波形編碼、參數(shù)編碼（聲碼器）和混合編碼。波形編碼技術(shù)是在不建立語音模型的情況下，直接對語音波形用編碼方式逼近，可有時(shí)域的脈沖編碼調(diào)制和變換域編碼；參數(shù)編碼是在一定的語音模型基礎(chǔ)上，在編碼端分析出該模型參數(shù)，并選擇適當(dāng)?shù)姆绞綄ζ溥M(jìn)行高效率的編碼，而在解碼端利用這些參數(shù)和語音模型，用合適的激勵(lì)源（excitation）重新合成語音；混合編碼則保留了參數(shù)編碼的語音模型的假定，又利用了波形編碼的準(zhǔn)則優(yōu)化激勵(lì)信號(hào)。
G.723.1算法屬于混合編碼。語音模型是基于線性預(yù)測理論的全極點(diǎn)模型。輸入是16bit的PCM碼流，然后采用合成分析、矢量量化等方法，以感覺加權(quán)后的語音基音殘差信號(hào)能量最小為準(zhǔn)則進(jìn)行編碼。有兩種類型編碼方式，一種是6.3kb/s多脈沖最大似然量化方法（壓縮率20：1），另一種是5.3kb/s代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測ACELP（壓縮率24：1）。后者的壓縮率高，編碼速率低，這可以降低系統(tǒng)存儲(chǔ)語音時(shí)所需存儲(chǔ)器的容量。而且解碼算法簡單，回放語音時(shí)不會(huì)有延遲感，語音清晰。
3 語音錄放音系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
語音錄放音系統(tǒng)硬件電路的系統(tǒng)框圖如圖2所示。由于芯片內(nèi)（虛線內(nèi)）集成了許多功能模塊，使得電路的結(jié)構(gòu)變得非常簡單。
SDA80D51的RS232串行口通過MAX3222匹配電壓后，連接到計(jì)算機(jī)。
芯片的啟動(dòng)支持SPI、I2C和RS232串口三種方式。本系統(tǒng)采用I2C啟動(dòng)方式，選用ATMEL公司的24C64。上電后，片內(nèi)固化在ROM上的程序會(huì)從選定的I2C芯片拷貝256字節(jié)客戶啟動(dòng)程序到片內(nèi)程序區(qū)ff00h～ffffh處，最后把程序指針指向ff00h，開始執(zhí)行。
系統(tǒng)程序存在SST28LF040中，由啟動(dòng)芯片中的用戶啟動(dòng)程序把系統(tǒng)程序裝載到芯片內(nèi)部的RAM里，然后處理器會(huì)執(zhí)行RAM中的程序指令。
語音經(jīng)過編碼壓縮后存儲(chǔ)在三星公司的KM29U128T（16M×8bit）內(nèi)。它的尋址采用串行方式，即8根數(shù)據(jù)線既作地址線也作數(shù)據(jù)線，先輸入地址，再傳送數(shù)據(jù)。這樣，用很少的SDA80D51地址線就可尋址很大的空間，記錄大量的語音數(shù)據(jù)很方便。
用8根GPIO線實(shí)現(xiàn)一個(gè)4×4的小鍵盤，可用來作為控制接口。在錄放音時(shí)，可以通過對鍵盤的掃描來決定下一步驟。
4 軟件設(shè)計(jì)
由于要對芯片內(nèi)的功能模塊、系統(tǒng)控制和編解碼算法進(jìn)行編程，這使得軟件設(shè)計(jì)量比較大。考慮到本文的篇幅，這里只介紹總程序結(jié)構(gòu)和錄放音的控制部分。
總程序框架采用前后臺(tái)的工作方式。前臺(tái)輪尋各個(gè)任務(wù)引擎，判斷是否有任務(wù)需要處理。若有，切換狀態(tài)并執(zhí)行該任務(wù)；若沒有，就繼續(xù)查詢。后臺(tái)主要完成對硬件的接口、中斷處理程序以及緩沖硬件數(shù)據(jù)。前臺(tái)和后臺(tái)的通訊是靠共享緩沖區(qū)來完成的。這種前后臺(tái)的工作方式可處理多任務(wù)，每個(gè)任務(wù)只占用一個(gè)時(shí)間片。
數(shù)字錄放音程序在整個(gè)軟件設(shè)計(jì)中只有一個(gè)任務(wù)，它提供一個(gè)任務(wù)引警程序，由前臺(tái)來調(diào)用。具體工作過程是OAK接CODEC模塊，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)、編碼和解碼算法以及語音的回放；M8051負(fù)責(zé)配置系統(tǒng)工作寄存器和對FLASH的讀寫。兩個(gè)核之間通過FIFO發(fā)消息，消息的定義格式（C語言）如下：
typedef union tag_FIFO_MESSAGE
{
struct
{
struct
{
BYTE bIdSource：//發(fā)送方ID
BYTE bIdDest: //接收方ID
WORD wMsgType; //發(fā)送消息類型
WORD wDataLen; //數(shù)據(jù)長度
WORD wSeq; //消息序號(hào)
}uHead;//消息頭
WORD wData[27]; //消息數(shù)據(jù)內(nèi)容
WORD wCRC; //校驗(yàn)
}uForm;
WORD wBuf[32];
}FIFO_MESSAGE;
兩個(gè)核的任務(wù)引擎程序分別用C語言編寫，程序結(jié)構(gòu)基本相同，都采用狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的方式，即每個(gè)子程序模塊都是一個(gè)狀態(tài)，滿足一定條件就跳到下一狀態(tài)；若都不滿足，就退回到前臺(tái)輪尋程序。由前臺(tái)程序在下一時(shí)間片繼續(xù)調(diào)用停留在當(dāng)前狀態(tài)的程序。
如圖3所示，每個(gè)圓圈都是一個(gè)狀態(tài)，兩個(gè)核之間的橫向的箭頭表示消息，向下的箭頭表示狀態(tài)的跳轉(zhuǎn)。
在錄音時(shí)，M8051的“錄音初始化狀態(tài)”先做初始化并發(fā)送START消息，表明錄音開始，然后跳到“存語音數(shù)據(jù)狀態(tài)”，等待OAK的消息。OAK的“錄音初始化狀態(tài)”接收到START消息后，先做初始化，然后跳到“語音采集編碼狀態(tài)”，在這里會(huì)不停地采集語音并用G.723.1編碼，采滿8K字后，向M8051發(fā)送STORE消息。M8051收到消息后，用存儲(chǔ)器切換程序，拷貝數(shù)據(jù)到M8051的RAM區(qū)，并存到FLASH里，這由“存語音數(shù)據(jù)狀態(tài)”來完成。若FLASH存滿
，M8051會(huì)發(fā)送STOP消息，然后OAK和M8051都進(jìn)入“錄音結(jié)束狀態(tài)”。OAK結(jié)束后還會(huì)給M8051發(fā)送DONE消息，表明錄音結(jié)束。
在放音時(shí)，M8051的“放音初始化狀態(tài)”打開FLASH的文件系統(tǒng)并發(fā)送START消息。OAK收到后，發(fā)送INIT消息，請求M8051傳送第一個(gè)數(shù)據(jù)包。M8051的“初始化確認(rèn)狀態(tài)”收到INIT消息后，從FLASH讀取一個(gè)數(shù)據(jù)包，傳送給OAK，若正確就發(fā)送ACK消息并跳轉(zhuǎn)到“讀語音數(shù)據(jù)狀態(tài)”。要是失敗的話，就發(fā)送STOP消息，這樣OAK和M8051都會(huì)結(jié)束語音。當(dāng)OAK收到ACK消息和一個(gè)語音數(shù)據(jù)包時(shí)，會(huì)跳到“解碼放音狀態(tài)”，在這里不停的把數(shù)據(jù)解碼并發(fā)送給DAC。若放完這個(gè)語音數(shù)據(jù)包，就發(fā)LOAO消息，申請下一個(gè)，不停循環(huán)。同時(shí)M8051會(huì)準(zhǔn)備語音數(shù)據(jù)包，并傳送給OAK，若沒有數(shù)據(jù)或按停止鍵，M8051會(huì)發(fā)STOP消息，結(jié)束發(fā)音。然后OAK會(huì)發(fā)FINISH消息，表明所有錄音結(jié)束。接著M8051的“放音結(jié)束狀態(tài)”會(huì)關(guān)閉文件系統(tǒng)，清空緩沖區(qū)。
由上面的描述可看出，整個(gè)數(shù)字錄放音的工作流程是M8051作主控制器，OAK作從控制器。M8051發(fā)起開始信號(hào)，收尾數(shù)字錄放音，而OAK主要負(fù)責(zé)編解碼。這種工作方式靈活可靠，程序很容易擴(kuò)展，例如狀態(tài)數(shù)的增加和消息類型的擴(kuò)展都很容易。
該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是充分利用SDA80D51的強(qiáng)大的功能集成，完成語音處理系統(tǒng)。完成一個(gè)大系統(tǒng)，幾乎只需要一個(gè)芯片。相信該芯片在語音及相關(guān)領(lǐng)域一定會(huì)有很好的應(yīng)用前景。
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