چکیده

کدک صحبت استاندارد G.728 ، یک کدک کم تاخیر است که صحبت با کیفیت عالی را در نرخ بیت 16 kbps ارائه می دهد و برای شبکه های تلفن ماهواره ای و اینترنت و موبایل که به تاخیر زیاد حساس هستند ، مناسب است. در این رساله به پیاده سازی بلادرنگ اینکدر و دیکدر G.728 بصورت دوطرفه کامل ( Full Duplex ) بر روی پردازنده TMS320C5402 می پردازیم .

روشی ترکیبی برای برنامه نویسی TMS ارائه می شود که در آن زمان وپیچیدگی برنامه نویسی نسبت به برنامه نویسی دستی به 30% کاهش می یابد . در این روش پس از برنامه نویسی و شبیه سازی ممیزثابت الگوریتم کدک به زبان C ، با استفاده از نرم افزار ( Code Composer Studio ) CCS ، برنامه به زبان اسمبلی ترجمه شده و بهینه سازی دستی در کل کد اسمبلی صورت می گیرد . سپس بعضی از توابع مهم برنامه از نظر MIPS ، بصورت دستی به زبان اسمبلی بازنویسی می شوند تا برنامه بصورت بلادرنگ قابل اجرا گردد . در پایان نتایج این پیاده سازی ارائه می شود .

فهرست

- مقدمه 4

فصل 1 : بررسی و مدل سازی سیگنال صحبت

1-1- معرفی سیگنال صحبت 6

1-2- مدل سازی پیشگویی خطی 10

1-2-1- پنجره کردن سیگنال صحبت 11

1-2-2- پیش تاکید سیگنال صحبت 13

1-2-3- تخمین پارامترهای LPC 14

فصل 2 : روش ها و استانداردهای کدینگ صحبت

2-1- مقدمه 15

2-2- روش های کدینگ 19

2-2-1- کدرهای شکل موج 21

2-2-2- کدرهای صوتی 22

2-2-3- کدرهای مختلط 24

الف- کدرهای مختلط حوزه فرکانس 27

ب- کدرهای مختلط حوزه زمان 29

فصل 3 : کدر کم تاخیر LD-CELP

3-1- مقدمه 34

3-2- بررسی کدرکم تاخیر LD-CELP 36

3-2-1- LPC معکوس مرتبه بالا 39

3-2-2- فیلتر وزنی شنیداری 42

3-2-3- ساختار کتاب کد 42

3-2-3-1- جستجوی کتاب کد 43

3-2-4- شبه دیکدر 45

3-2-5- پست فیلتر 46

فصل 4 : شبیه سازی ممیزثابت الگوریتم به زبان C

4-1- مقدمه 49

4-2- ویژگی های برنامه نویسی ممیزثابت 50

4-3- ساده سازی محاسبات الگوریتم 53

4-3-1- تطبیق دهنده بهره 54

4-3-2- محاسبه لگاریتم معکوس 58

4-4- روندنمای برنامه 59

4-4-1- اینکدر 63

4-4-2- دیکدر 69

فصل 5 : پیاده سازی الگوریتم برروی DSP

5-1- مقدمه 74

5-2- مروری بر پیاده سازی بلادرنگ 75

5-3- چیپ های DSP 76

5-3-1- DSP های ممیزثابت 77

5-3-2- مروری بر DSP های خانواده TMS320 78

5-3-2-1- معرفی سری TMS320C54x 79

5-4- توسعه برنامه بلادرنگ 81

5-5- اجرای برنامه روی برد توسعه گر C5402 DSK 82

5-5-1- بکارگیری ابزارهای توسعه نرم افزار 84

5-5-2- استفاده از نرم افزارCCS 86

5-5-3- نتایج پیاده سازی 94

5-6- نتیجه گیری و پیشنهاد 97

- ضمائم

- ضمیمه (الف) : دیسکت برنامه های شبیه سازی ممیز ثابت به زبان C و

پیاده سازی کدک به زبان اسمبلی - ضمیمه (ب) : مقایسه برنامه نویسی C و اسمبلی 98

- مراجع 103

- مقدمه

امروزه در عصر ارتباطات و گسترش روزافزون استفاده از شبکه های تلفن ،موبایل و اینترنت در جهان ومحدودیت پهنای باند در شبکه های مخابراتی ، کدینگ و فشرده سازی صحبت امری اجتناب ناپذیر است . در چند دهه اخیر روشهای کدینگ مختلفی پدیدآمده اند ولی بهترین و پرکاربردترین آنها کدک های آنالیزباسنتز هستند که توسط Atal & Remedeدر سال 1982 معرفی شدند [2] . اخیرا مناسبترین الگوریتم برای کدینگ صحبت با کیفیت خوب در نرخ بیت های پائین و زیر 16 kbps ، روش پیشگویی خطی باتحریک کد (CELP) می باشد که در سال 1985 توسط Schroeder & Atal معرفی شد [8] و تا کنون چندین استاندارد مهم کدینگ صحبت بر اساس CELP تعریف شده اند .

در سال 1988 CCITT برنامه ای برای استانداردسازی یک کدک 16 kbps با تاخیراندک و کیفیت بالا در برابر خطاهای کانال آغاز نمود و برای آن کاربردهای زیادی همچون شبکه PSTN ،ISDN ،تلفن تصویری و غیره در نظر گرفت . این کدک در سال 1992 توسط Chen et al. تحت عنوان LD-CELP معرفی شد[6] و بصورت استاندارد G.728 در آمد[9] و در سال 1994 مشخصات ممیز ثابت این کدک توسط ITU ارائه شد[10] . با توجه به کیفیت بالای این کدک که در آن صحبت سنتزشده از صحبت اولیه تقریبا غیرقابل تشخیص است و کاربردهای آن در شبکه های تلفن و اینترنت و ماهواره ای در این گزارش به پیاده سازی این کدک می پردازیم .

در فصل اول به معرفی وآنالیز سیگنال صحبت پرداخته می شود و در فصل دوم روش ها و استانداردهای کدینگ بیان می شوند . در فصل سوم کدک LD-CELP را بیشتر بررسی می کنیم و در فصل چهارم شبیه سازی ممیز ثابت الگوریتم به زبان C را بیان می نمائیم. ودر پایان در فصل 5 به نحوه پیاده سازی بلادرنگ کدکG.728 بر روی پردازنده TMS320C5402 می پردازیم.

فصل 1

بررسی و مدل سازی سیگنال صحبت

1-1 –معرفی سیگنال صحبت

صحبت در اثر دمیدن هوا از ریه ها به سمت حنجره و فضای دهان تولید می‏شود. در طول این مسیر در انتهای حنجره، تارهای صوتی[1] قرار دارند. فضای دهان را از بعد از تارهای صوتی ، لوله صوتی[2] می‏نا مند که در یک مرد متوسط حدود cm 17 طول دارد . در تولید برخی اصوات تارهای صوتی کاملاً باز هستند و مانعی بر سر راه عبور هوا ایجاد نمی‏کنند که این اصوات را اصطلاحاً اصوات بی واک [3] می‏نامند. در دسته دیگر اصوات ، تارهای صوتی مانع خروج طبیعی هوا از حنجره می‏گردند که این باعث به ارتعاش درآمدن تارها شده و هوا به طور غیر یکنواخت و تقریباً پالس شکل وارد فضای دهان می‏شود. این دسته از اصوات را اصطلاحاً باواک[4] می‏گویند.

فرکانس ارتعاش تارهای صوتی در اصوات باواک را فرکانس Pitch و دوره تناوب ارتعاش تارهای صوتی را پریود Pitch می‏نامند. هنگام انتشار امواج هوا در لوله صوتی، طیف فرکانس این امواج توسط لوله صوتی شکل می‏گیرد و بسته به شکل لوله ، پدیده تشدید در فرکانس های خاصی رخ می‏دهد که به این فرکانس های تشدید فرمنت[5] می‏گویند.

از آنجا که شکل لوله صوتی برای تولید اصوات مختلف، متفاوت است پس فرمنت ها برای اصوات گوناگون با هم فرق می‏کنند. با توجه به اینکه صحبت یک فرآیند متغییر با زمان است پس پارامترهای تعریف شده فوق اعم از فرمنت ها و پریود Pitch در طول زمان تغییر می‏کنند به علاوه مد صحبت به طور نامنظمی از باواک به بی واک و بالعکس تغییر می‏کند. لوله صوتی ، همبستگی های زمان-کوتاه ، در حدود 1 ms ، درون سیگنال صحبت را در بر می‏گیرد. و بخش مهمی از کار کدکننده های صوتی مدل کردن لوله صوتی به صورت یک فیلتر زمان-کوتاه می‏باشد. همان طور که شکل لوله صوتی نسبتاً آهسته تغییر می‏کند، تابع انتقال این فیلتر مدل کننده هم نیاز به تجدید[6] ، معمولاً در هر 20ms یکبارخواهد داشت.

در شکل (1-1 الف) یک قطعه صحبت باواک که با فرکانس 8KHz نمونه برداری شده است دیده می‏شود. اصوات باواک دارای تناوب زمان بلند به خاطر پریود Pitch هستند که نوعاً بین 2ms تا 20ms می‏باشد. در اینجا پریود Pitch در حدود 8ms یا 64 نمونه است. چگالی طیف توان این قطعه از صحبت در شکل (1-1 ب) دیده می‏شود[3].

اصوات بی واک نتیجه تحریک نویز مانند لوله صوتی هستند و تناوب زمان- بلند اندکی را در بر دارند ، همانگونه که در شکل های (1-1 ج) و (1-1 د) دیده می‏شود ولی همبستگی زمان کوتاه به خاطر لوله صوتی در آنها هنوز وجود دارد

پیاده سازی بلادرنگ کدک صحبت استاندارد G.728 بر روی پردازنده TMS320C5402

چکیده:

کدک صحبت استاندارد G.728 ، یک کدک کم تاخیر است که صحبت با کیفیت عالی را در نرخ بیت 16 kbps ارائه می دهد و برای شبکه های تلفن ماهواره ای و اینترنت و موبایل که به تاخیر زیاد حساس هستند ، مناسب است. در این رساله به پیاده سازی بلادرنگ اینکدر و دیکدر G.728 بصورت دوطرفه کامل ( Full Duplex ) بر روی پردازنده TMS320C5402 می پردازیم .

روشی ترکیبی برای برنامه نویسی TMS ارائه می شود که در آن زمان وپیچیدگی برنامه نویسی نسبت به برنامه نویسی دستی به 30% کاهش می یابد . در این روش پس از برنامه نویسی و شبیه سازی ممیزثابت الگوریتم کدک به زبان C ، با استفاده از نرم افزار ( Code Composer Studio ) CCS ، برنامه به زبان اسمبلی ترجمه شده و بهینه سازی دستی در کل کد اسمبلی صورت می گیرد . سپس بعضی از توابع مهم برنامه از نظر MIPS ، بصورت دستی به زبان اسمبلی بازنویسی می شوند تا برنامه بصورت بلادرنگ قابل اجرا گردد . در پایان نتایج این پیاده سازی ارائه می شود .

فهرست

- مقدمه 4

فصل 1 : بررسی و مدل سازی سیگنال صحبت

1-1- معرفی سیگنال صحبت 6

1-2- مدل سازی پیشگویی خطی 10

1-2-1- پنجره کردن سیگنال صحبت 11

1-2-2- پیش تاکید سیگنال صحبت 13

1-2-3- تخمین پارامترهای LPC 14

فصل 2 : روش ها و استانداردهای کدینگ صحبت

2-1- مقدمه 15

2-2- روش های کدینگ 19

2-2-1- کدرهای شکل موج 21

2-2-2- کدرهای صوتی 22

2-2-3- کدرهای مختلط 24

الف- کدرهای مختلط حوزه فرکانس 27

ب- کدرهای مختلط حوزه زمان 29

فصل 3 : کدر کم تاخیر LD-CELP

3-1- مقدمه 34

3-2- بررسی کدرکم تاخیر LD-CELP 36

3-2-1- LPC معکوس مرتبه بالا 39

3-2-2- فیلتر وزنی شنیداری 42

3-2-3- ساختار کتاب کد 42

3-2-3-1- جستجوی کتاب کد 43

3-2-4- شبه دیکدر 45

3-2-5- پست فیلتر 46

فصل 4 : شبیه سازی ممیزثابت الگوریتم به زبان C

4-1- مقدمه 49

4-2- ویژگی های برنامه نویسی ممیزثابت 50

4-3- ساده سازی محاسبات الگوریتم 53

4-3-1- تطبیق دهنده بهره 54

4-3-2- محاسبه لگاریتم معکوس 58

4-4- روندنمای برنامه 59

4-4-1- اینکدر 63

4-4-2- دیکدر 69

فصل 5 : پیاده سازی الگوریتم برروی DSP

5-1- مقدمه 74

5-2- مروری بر پیاده سازی بلادرنگ 75

5-3- چیپ های DSP 76

5-3-1- DSP های ممیزثابت 77

5-3-2- مروری بر DSP های خانواده TMS320 78

5-3-2-1- معرفی سری TMS320C54x 79

5-4- توسعه برنامه بلادرنگ 81

5-5- اجرای برنامه روی برد توسعه گر C5402 DSK 82

5-5-1- بکارگیری ابزارهای توسعه نرم افزار 84

5-5-2- استفاده از نرم افزارCCS 86

5-5-3- نتایج پیاده سازی 94

5-6- نتیجه گیری و پیشنهاد 97

- ضمائم

- ضمیمه (الف) : دیسکت برنامه های شبیه سازی ممیز ثابت به زبان C و پیاده سازی کدک به زبان اسمبلی

- ضمیمه (ب) : مقایسه برنامه نویسی C و اسمبلی

- مراجع 103

بررسی سیستم پیاده سازی بلادرنگ کدک صحبت استاندارد G.728 بر روی پردازنده TMS320C5402

کدینگ و فشرده سازی صحبت

پیاده سازی بلادرنگ

DSP

TMS320C5402

برد DSK

فصل 1 : بررسی و مدل سازی سیگنال صحبت

فصل 2 : روش ها و استانداردهای کدینگ صحبت

فصل 3 : کدر کم تاخیر LD-CELP

فصل 4 : شبیه سازی ممیزثابت الگوریتم به زبان C

فصل 5 : پیاده سازی الگوریتم برروی DSP