基于ARM7TDMI的SoC语音处理系统的设计

发布时间:2007/8/24 0:00:00 访问次数:425

作者：东南大学张兵金晶凌明

摘要：基于ARM7TDMI的SoC片内AC97模块和片外CODEC-UCB1400，采用ITU-T的G.721算法设计语音处理系统;提出一种基于低端RISC核的语音系统设计方案。该方案结合SoC的片内eSRAM模块进行性能优化；通过在流片后的实际样机上验证，编码速率为19.88 KB/s，解码速率为22.68 KB/s，达到了语音实时性要求。

关键词：ARM7TDMI G.721 双Buffer机制 eSRAM优化

引言

随着微电子和计算机技术的高速发展，许多嵌入式应用系统应运而生。其中，各种语音处理系统不断被开发出来，在各行业得到广泛应用，如语音报站器、自动解说装置、采访录音笔等，为人类的生产、生活提供了极大的便利。本文基于东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心自主研发的ARM7TDMI内核的32位嵌入式SoC——SEP3203处理器，采用G.721标准ADPCM算法，实现了语音信号的软件实时编解码，为语音处理应用提供了一种有效的嵌入式解决方案。

1 G.721标准概述

1937年，A.H.Reeves提出脉冲编码调制(PCM)，开创了语音数字化通信的历程。CCITT在20世纪80年代初，开始研究低于64 Kb/s的非PCM编码算法，先后制定通过了G.721、G.728、 G.729等编码标准。其中，G.721协议作为ADPCM的典型算法，不仅具有与PCM近乎相同的语音质量，而且有简单的算法结构和优良的抗误码性能，在卫星、海缆及便携式数字语音设备等方面都有广泛应用。G.721算法的简化框图如图1所示。

编码过程：

① 计算Sl(k)与自适应预测器输出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k)；

② 通过自适应量化模块对E(k)进行量化，得到ADPCM码字I(k)；

③ 通过自适应反量化模块对I(k)计算得到量化差分预测信号Dq(k)；

④ 根据重建信号Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新预测滤波器系数；

⑤ 利用新的系数，计算得到Se(k+1)，重复上述5个步骤，压缩下一个语音采样数据。

解码过程：

① 通过自适应反量化和自适应预测得到Dq(k)和Se(k)，得到语音重建信号Sr(k)；

② 对重建信号Sr(k)进行PCM格式转换，得到PCM码字Sp(k)；

图1 G.721编码器和解码器简化框图

③ 采用与编码器相同的方法更新预测滤波器系数；

④ 为实现双向通信，同步调整Sp(k)；

⑤ 利用新的滤波器系数，重复上述5个步骤，解码下一个I(k)。

2 芯片简介

SEP3203芯片为系统处理核心，总体结构框图如图2所示。该芯片是东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心自主设计的基于ARM7TDMI的32位SoC，采用AMBA2.0标准，0.25μmCMOS工艺，主要面向嵌入式中低端手持设备。片上提供AC97控制器、外存接口EMI、6通道DMAC、TIMER、PMU、INTC等模块。其中，语音系统使用的模块有：EMI，负责控制对外存的访问；片上存储器eSRAM，用于优化耗时的核心代码；AC97，提供AC97标准的音频接口；DMAC，用于实现大数据量的DMA传送。

图2 SEP3203芯片结构框图

3 系统设计

3.1 硬件系统

硬件系统框图如图3所示。虚线框内是片内模块；框外为片外器件，包括外存（SDRAM/SRAM/Flash等）、CODEC等