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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:顏文陽
研究生(外文):Wen-Yang Yan
論文名稱:數位錄放音機之設計與實現
論文名稱(外文):Design and Implementation of Digital Voice Recorder
指導教授:徐忠枝魏清煌
指導教授(外文):Jong-Jy ShyuChing-Huang Wei
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄第一科技大學
系所名稱:電腦與通訊工程所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:線性預測語音編碼數位訊號處理器錄放音機
外文關鍵詞:Linear PredictionSpeech CodingDSPVoice Recorder
相關次數:
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在本論文中,我們採用模組化設計,設計並實作一套「獨立型」數位錄放音機系統。此系統使用價格低廉的定點數數位訊號處理器ADSP-2181 DSP負責即時語音壓縮,結合應用最廣泛的微控器AT89C51當人機介面控制電路的核心,省電的液晶顯示器,採用SmartMediaTM CARD當語音參數的儲存媒體,與RS232串列介面作為系統與PC語音參數的傳送,並完成了以合成語音品質為考量的μ- law壓伸器與著重長錄音時間的LPC編碼器。
我們使用一些技巧來解決定點線性預測編碼器(Linear Prediction Coding,簡稱LPC)即時實現上的問題。首先使用ADSP-2181 DSP串列埠特有的Autobuffering工作模式結合雙緩衝區系統,以達到即時編解碼的要求。第二,我們以單晶片微控器,來協調高速DSP與慢速記憶卡之間存取速度的差異,使語音參數不致遺失。最後,利用修正自相關法,降低音高週期搜尋計算的複雜度,並用DSP的組合語言撰寫定點的LPC程式,以達到即時編解碼的目標。
實驗結果顯示,即時定點的LPC編碼器在2.4 Kbps位元率下可以維持相當的語音品質,整合μ- law壓伸器的系統已達到實用階段。
In this thesis, a prototyped digital voice recorder system is designed and implemented. The entire system is realized as a fully stand-alone system. The system is designed with modules, which consists of a AT89C51 microprocessor for human-machine interface control, a low cost 16 bits fixed-point ADSP-2181 DSP for real time speech analysis and synthesis, a low power dissipation LCD module for display, and a non-volatile storage media SmartMediaTM CARD for mass storage. The system has been interfaced to a PC through the RS232 serial port for speech parameters storage. Two types of speech coders are implemented a - law compander puts emphasis on the reconstructed speech quality, and a LPC coder provides the long-time speech parameters storage.
In the system, several techniques are used to fulfill requirements in a real time LPC speech coder. First, we fully utilize the Autobuffering mode of ADSP-2181 DSP’s serial port and dual buffer system in real-time implementation. Second, we apply a single chip microcontroller to coordinate high speed DSP with a low speed memory card to avoid lost of speech parameters. Finally, the technique of modified autocorrelation method is exploited to reduce computational complexity for pitch detection and the fixed-point LPC speech coder is coded by the assembly language of ADSP-2181 DSP in order to achieve real time speech compression.
Experimental results show that the fixed-point LPC speech coder can maintain a tolerable speech quality at 2.4Kbps bit rate. Integrated with a - law compander, the digital voice recorder system can execute in real time and hold excellent speech quality.
目 錄
中文摘要i
英文摘要ii
致謝iii
目錄iv
表目錄vii
圖目錄viii
第一章 緒 論1
1.1 研究背景1
1.2 研究動機3
1.3 研究方法5
1.4 論文組織5
第二章 線性預測編碼的原理6
2.1人類發聲模式6
2.2語音合成的數位化模式9
2.3語音訊號的特性11
2.4線性預估編碼 (Linear Predictive Coding, LPC)14
2.5 LPC參數的求解19
2.6音高週期的預測(Pitch Prediction)21
2.7 LPC參數的量化(Quantization)24
第三章 LPC 編解碼器的定點化分析與即時實現26
3.1定點化的資料格式27
3.2定點化所遭遇的誤差問題與解決方法29
3.3定點化的程序31
3.4 LPC編碼器的資料流程32
3.5預強調(pre-emphasis)與解強調(de-emphasis)濾波器32
3.6線性預測定點化分析34
3.7音高週期預測(Pitch Prediction)與加速運算的方法37
3.8格狀(Lattice Filter)合成濾波器39
3.9定點LPC編解碼器即時實現的發展流程40
3.10定點LPC編解碼器即時實現的重要技巧42
3.10.1使用查表代替計算42
3.10.2使用Autobuffering模式抓取語音資料43
3.10.3使用雙緩衝區(Dual Buffer)處理語音資料43
第四章 數位錄放音機之設計與實現48
4.1數位錄放音機的系統方塊圖48
4.2 AT89C51單晶微電腦控制電路的設計49
4.2.1 AT89C51埠的特性50
4.2.2 AT89C51單晶片微電腦控制電路I/O埠的定義53
4.3人機介面控制電路的設計55
4.3.1液晶顯示器電路的設計56
4.3.2鍵盤電路的設計58
4.4 DSP語音分析與合成電路的設計61
4.4.1 ADSP-2181數位訊號處理器的特點61
4.4.2 ADSP-2181 DSP語音分析與合成電路設計63
4.5 AD1847 CODEC電路的設計66
4.5.1 AD1847串列介面的設計66
4.5.2 ADSP-2181 DSP串列介面的特性67
4.6類比語音輸入與輸出電路的設計73
4.7快閃記憶體存取電路的設計74
4.7.1 SmartMediaTM CARD的記憶體存取電路設計75
4.7.2 K9D5608V0M的功能方塊圖與內部結構78
4.7.3 K9D5608V0M的命令集與操作的時序圖80
4.8串列通訊介面電路的設計82
4.9電源電路的設計84
4.10 EZ-KIT LITE學習板的介紹85
4.11軟體發展環境86
第五章 實驗結果與討論88
5.1系統的實體電路(prototype)與操作流程88
5.2 LPC編碼器的規格與位元配置90
5.3 LPC編碼器的位元率(Bit Rate)91
5.4合成語音品質的評估92
5.4.1μ-law壓伸器合成語音品質的評估92
5.4.2μ-law壓伸器的實驗結果與討論94
5.4.3 LPC編碼器合成語音品質的評估95
5.4.4 LPC編碼器的實驗結果與討論97
第六章結論與未來展望101
6.1結論101
6.2未來展望102
參考文獻104


























表目錄
表 2.1 物理模式與數學模式的對應關係11
表 3.1 16位元的各種Q格式表示十進制的浮點數值範圍28
表 4.1 LCD接腳說明57
表 4.2 74922接腳說明61
表 4.3 ADSP-2181的SPORT 介面68
表 4.4 AD1847串列埠接腳說明72
表 4.5 SmartMediaTM CARD (SSFDC)接腳說明78
表 4.6 K9D5608V0M的命令集80
表 4.7 RS-232 D型連接器接腳訊號名稱84
表 5.1 數位錄放音機的規格表90
表 5.2 LPC編碼器的規格表91
表 5.3 LPC編碼器的位元配置表91
表 5.4 測試語句經μ-law處理後的SNR統計表93
表 5.5 MOS(Mean Opinion Score)五分等級量表95
表 5.6 中文聲韻測試字句對表96
表 5.7 中文聲韻測試結果統計表100



圖目錄
圖2.1 發聲器官圖.7
圖2.2 人類發聲模式8
圖2.3 有聲 ”ㄍ” 的波形圖10
圖2.4 無聲 ”s” 的波形圖10
圖2.5 語音合成的數位化模式11
圖2.6 有聲語音波形圖、頻譜圖與極點位置圖13
圖2.7 無聲語音波形圖、頻譜圖與極點位置圖13
圖2.8 LPC波封值與LPC階數的關係圖15
圖2.9 原始語音訊號,LPC剩餘值與Pitch剩餘值的波形圖21
圖2.10 典型pitch-LPC模式22
圖3.1 LPC編碼器的資料流程33
圖3.2 格狀(Lattice Filter)合成濾波器結構圖39
圖3.3 定點LPC編解碼器即時實現的發展流程41
圖3.4 語音分析的雙緩衝區系統處理流程45
圖3.5 語音合成的雙緩衝區系統處理流程47
圖4.1 數位錄放音機的系統方塊圖49
圖4.2 AT89C51內部方塊圖50
圖4.3 P0 埠的內部結構51
圖4.4 P1埠的內部結構52
圖4.5 AT89C51單晶片微電腦控制電路53
圖4.6 人機介面控制電路56
圖4.7 LCD 4位元介面的初始化流程圖59
圖4.8 ADSP-218I DSP的系統功能方塊圖62
圖4.9DSP語音分析與合成電路63
圖4.10 ADSP-2181 I/O Read的時序圖65
圖4.11 ADSP-2181 I/O Write的時序圖66
圖4.12AD1847 CODEC電路67
圖4.13 ADSP-2181串列埠方塊圖69
圖4.14 多通道傳輸開始的時序圖70
圖4.15 完整多通道傳輸的時序圖70
圖4.16 AD1847內部功能方塊圖71
圖4.17AD1847 兩線式系統的串列資料格式72
圖4.18 類比語音輸入與輸出電路74
圖4.19 SmartMediaTM CARD記憶體存取電路76
圖4.20 SmartMediaTM CARD (SSFDC)的接腳定義77
圖4.21K9D5608V0M的功能方塊圖79
圖4.22 K9D5608V0M的內部結構圖79
圖4.23 K9D5608V0M抹除的時序圖80
圖4.24 K9D5608V0M抹除的流程圖81
圖4.25 K9D5608V0M讀取的時序圖81
圖4.26K9D5608V0M燒錄的時序圖82
圖4.27 串列通訊介面電路83
圖4.28 電源電路84
圖4.29 EZ-KIT LITE學習板的配置圖86
圖4.30ADSP-2181系統發展流程圖87
圖5.1 系統的實體電路圖88
圖5.2 系統的操作流程圖89
圖5.3原始語音與μ-law處理後合成語音的波形圖93
圖5.4 原始語音與μ-law處理後合成語音的局部波形圖94
圖5.5 原始語音與LPC編碼器處理後合成語音的波形圖97
圖5.6 原始語音與LPC編碼器處理後合成語音的局部波形圖98
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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