1.3 DSP语音处理系统

通常，语音处理应用可基于通用的可编程DSP芯片来实时实现，为便于说明，本书将“基于可编程DSP芯片的语音处理系统”简称为“DSP语音处理系统”。

1.3.1 DSP语音处理系统的构成

如图1-3所示为一个典型的DSP语音处理系统。

一般地，输入的模拟语音信号首先进行抗混叠滤波，然后进行模/数（A/D）变换将模拟语音信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特（Nyquist）抽样定理，对于模拟语音信号，为保持信息的不丢失，抽样频率至少必须是输入语音信号最高频率的2倍。

DSP芯片的输入是A/D变换后得到的以抽样形式表示的数字语音信号，根据系统要求，DSP芯片对输入语音信号按照特定的算法进行处理，这是语音处理系统的关键。最后，经过处理后的数字样值再经数/模（D/A）变换转换为模拟样值，之后再进行平滑滤波就可得到连续的模拟波形。

当然，图1-3给出的DSP语音处理系统只是一个典型的模型系统，并不是所有的系统都必须包括该模型系统中的各个部分。例如，语音识别系统的输出并不是语音，而是识别结果，如文字、数字、标点符号等。

1.3.2 DSP语音处理系统的特点

DSP语音处理系统以数字信号处理为基础，具有数字处理系统的以下全部优点。

（1）接口方便。DSP语音处理系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容的，接口方便、容易。

（2）编程方便。DSP语音处理系统中的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

（3）稳定性好。DSP语音处理系统以数字处理为基础，受环境温度及噪声的影响较小，可靠性高、稳定性好。

（4）精度高。DSP语音处理系统采用最常用的16位定点DSP芯片，系统可以达到10 ^-5 的精度（1/2 ¹⁵ ）。

（5）可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数字系统基本不受影响，因此便于调试、测试和大规模生产。

（6）集成方便。DSP语音处理系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。

DSP语音处理系统的突出优点已经使其在语音编码、语音识别、说话人识别、语音增强等领域得到越来越多的应用。

1.3.3 DSP语音处理系统的设计

如图1-4所示为DSP语音处理系统的一般设计流程。

（1）定义系统性能指标。在设计DSP语音处理系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标及语音处理的要求。通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。

（2）语音处理算法仿真。一般来说，为了实现系统的最终目标，需要对输入的语音信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能。要想得到最佳的系统性能必须在这一步确定最佳的处理方法，即语音处理算法，这一步也称算法仿真。例如，语音编码算法就是要在确定的压缩比条件下，获得最佳的合成语音。算法仿真所用的输入数据是实际信号经采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文件。例如，语音编码算法仿真时所用的语音信号就是实际采集并存储为计算机文件形式的语音数据文件。

（3）选择DSP芯片。在软、硬件设计之前，首先要根据语音处理算法运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制及体积、功耗等要求选择合适的DSP芯片。

（4）软、硬件设计。DSP语音处理系统的设计包括软件设计和硬件设计两个方面。软件设计主要是指根据系统要求和所选的DSP芯片编写相应的DSP程序，可用高级语言（如C语言）或汇编语言编程，也可以采用两者混合的编程方法。硬件设计主要是指以所选的DSP芯片为核心设计其外围电路及其他电路。

（5）软、硬件调试。软件调试一般采用DSP开发工具进行，如采用软件模拟器（Simulato）、DSP开发系统或仿真器等。调试DSP算法时，一般采用将实时结果与仿真结果进行比较的方法，如果实时程序和仿真程序的输入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情况进行调试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。

（6）系统集成。系统的软件和硬件调试完成后，就可以将软件通过开发系统或仿真器装载到调试好的硬件系统中进行集成调试，调试通过后就可以将软件写入硬件系统，使软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行，从而实现系统的独立运行。

（7）系统测试，即对系统的性能指标进行全面的测试。当然，DSP语音处理系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程，虽然通过算法仿真基本上可以预测实时系统的性能，但实际上仿真环境不可能做到与实时系统环境完全一致。而且将仿真算法移植到实时系统时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大，不能在硬件上实时进行，则必须重新修改或简化算法。

1.3.4 DSP语音处理系统的开发

根据图1-4的设计流程开发一个完整的DSP语音处理系统，需要借助于诸多软、硬件开发工具，表1-1列出了可能需要的开发工具。需要注意的是，有些工具也不一定是必备的，如逻辑分析仪。有些工具则是可选的，如算法仿真时可以用C语言，也可以用MATLAB语言，或者先进行MATLAB仿真，再进行C语言仿真，还可以用其他程序语言。在采用美国模拟器件公司（ Analog Devices, Inc.，ADI）的DSP芯片进行系统开发时，可采用Visual DSP++工具软件，这是一个软件集成开发环境，包括了编辑、编译、汇编、链接、软件模拟、调试等几乎所有需要的软件。