摘要：本文介紹了G．711標(biāo)準(zhǔn)的A律壓縮算法的基本原理，設(shè)計(jì)出了A律編解碼的軟件流程框圖，在以TMS320VC5416為處理器的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信號(hào)的A律壓縮解壓算法，并給出了C54x的匯編語(yǔ)言程序。

　　0 引言

　　語(yǔ)言壓縮技術(shù)既節(jié)省了存儲(chǔ)時(shí)所占用的存儲(chǔ)空間，又減少了傳輸時(shí)所占用的帶寬，而快速發(fā)展的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)使得實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的語(yǔ)音壓縮算法成為可能。

　　國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)1972年制定出來(lái)的一套語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)稱為G．7ll，主要用于公用電話網(wǎng)。它用脈沖編碼調(diào)制(PCM)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采樣，采樣率為8kHz，比特率為64kb／s。該標(biāo)準(zhǔn)下主要有兩種壓縮算法，一種是μ律，另一種是A律。其中歐洲和中國(guó)等國(guó)家采用A律壓縮算法，美國(guó)和日本等國(guó)家采用μ律壓縮算法。

　　1 A律壓縮算法簡(jiǎn)介

　　A律編碼的數(shù)據(jù)對(duì)象是12位的二進(jìn)制數(shù)，它保證了壓縮后的數(shù)據(jù)有5位的并存儲(chǔ)到一個(gè)字節(jié)(8位)中。A律符合下式的對(duì)數(shù)壓縮方程：

　　式中，x為歸一化的輸入語(yǔ)音信號(hào)，y為壓擴(kuò)后的歸一化輸出信號(hào)，A為壓縮參數(shù)取值。由于該方程是一條連續(xù)的光滑曲線，物理上實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。在實(shí)用中一般用13段折線近似該曲線，此時(shí)選擇AA=87．6。對(duì)PCM信號(hào)，一般地，輸入的模擬語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波、放大和限幅后，然后進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器編碼，常用的編碼方法有2的補(bǔ)碼和折疊二進(jìn)制碼兩種。表l是A律壓縮編碼規(guī)律表，其中只給出了在抽樣值為正值時(shí)，A／D轉(zhuǎn)換器輸出的12位二進(jìn)制數(shù)(補(bǔ)碼)是如何壓縮成8位二進(jìn)制數(shù)的。

　　2 A律算法的硬件構(gòu)成

　　采用合眾達(dá)電子的SEED-DEC5416嵌入式DSP開(kāi)發(fā)板作為實(shí)現(xiàn)A律算法的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。主處理器選擇的是1 6 bit定點(diǎn)DSP芯片TMS320vC5416，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)差分運(yùn)算放大后送入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣率為8kHz，量化位數(shù)為12bit，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入McBSP，然后對(duì)McBSP中的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼，壓縮后的數(shù)據(jù)送入'C5416內(nèi)部的DARAM保存，還可以直接解壓后經(jīng)McBSP送DAC，數(shù)模轉(zhuǎn)換后再送入功放模塊驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。其中，McBSP與ADC／DAC之間的數(shù)據(jù)交換是靠ADC／DAC提供的移位信號(hào)和幀同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。

　　3 A律算法的軟件設(shè)計(jì)

　　在TI提供的開(kāi)發(fā)工具CCS中進(jìn)行源程序的編輯和調(diào)試，源程序采用'C54x系列的匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。首先完成對(duì)DSP芯片必要的初始化、McBSP的初始化及開(kāi)放McBSP中斷，然后執(zhí)行A律壓縮解壓算法。

　　一般地，用程序進(jìn)行A律編碼解碼有兩種方法：一種是查表法，這種方法程序代碼小，執(zhí)行速度快，但需要占用較多的內(nèi)存以存儲(chǔ)查找表(表的大小為212=4096個(gè)字)，另一種方法是直接計(jì)算法，這種程序代碼較多，執(zhí)行速度慢一些，但可以節(jié)省內(nèi)存空間。對(duì)照表l，可以畫(huà)出A律壓縮編碼直接計(jì)算方法的流程如圖2所示。待壓縮的數(shù)據(jù)來(lái)自voidin變量空間(見(jiàn)附錄1)，該變量空間保存著McBSP中的數(shù)據(jù)，保存符號(hào)位就是將待壓縮數(shù)據(jù)的位11放入壓縮數(shù)據(jù)的位7，并通過(guò)測(cè)試位11決定是否對(duì)該數(shù)求補(bǔ)即對(duì)負(fù)數(shù)求(A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示)，求的目的是為了減小直接對(duì)負(fù)值壓縮時(shí)帶來(lái)的量化誤差。另外，還將兩個(gè)8位的壓縮數(shù)據(jù)組成一個(gè)16位的字保存至compress變量空間。

　　解壓一般是壓縮的逆過(guò)程，但有時(shí)為了使得量化誤差不超過(guò)△i／2，可在解壓后的數(shù)據(jù)位增加一個(gè)有效位，該有效位為1時(shí)經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)△min／2電壓，即將8位的壓縮數(shù)據(jù)解壓成13位的數(shù)據(jù)。本文中解壓仍然按照解壓成12位的數(shù)據(jù)，其解壓流程如圖3所示。圖3中壓縮數(shù)據(jù)暫存單元com的位*的段碼值若大于l時(shí)，需將這4位段內(nèi)碼的前后相鄰位都置1，然后將這6位送至解壓數(shù)據(jù)暫存單元dcom的位(段碼值+3)～位(段碼值-2)即可，代碼(見(jiàn)附錄2)中采用的方法是對(duì)這6位邏輯左移(段碼值-2)位。

　　4 實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)論

　　由于語(yǔ)音信號(hào)可以分解成許多正弦頻率的和，實(shí)驗(yàn)中采用200Hz的正弦信號(hào)代替實(shí)際的語(yǔ)音信號(hào)。將匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的源程序和命令連接文件都添加到新建立的工程文件夾中，并編譯、鏈接及裝載程序運(yùn)行，然后執(zhí)行集成開(kāi)發(fā)環(huán)境ccs的菜單命令View|Graph|Time Frenquency，打開(kāi)Graph Property Dialog對(duì)話框，在此分兩次輸入標(biāo)題名sine和decompress sine、起始地址0x0082和0x065E(命令連接文件．cmd中將．bss段定位到DARAM的org=0080h上)，并選擇數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度為200及數(shù)據(jù)類(lèi)型為16-bit signed integer，然后點(diǎn)擊ok按鈕即可生成圖4和圖5的曲線。

　　與圖4相比，圖5只有在幅值比較大時(shí)兩者的誤差才略為明顯，這是A律解壓算法特性造成的，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的影響并不大，因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)出現(xiàn)大幅度值的概率小。

　　本文完成的語(yǔ)音信號(hào)的A律編解碼的DSP實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，可以達(dá)到實(shí)時(shí)的語(yǔ)音壓縮及解壓效果

　　附錄1壓縮代碼