數位信號控制器(DSC)支援嵌入式語音應用

http://compotechasia.blogspot.com/2007/11/dsc.html

作者：Rishi Vasuki/數位訊號控制器部門資深應用工程師/Microchip Technology Inc.

改善語音品質和加快語音傳輸速度，長久以來一直是電信業者的要求。就如同其它市場的需求、如消費型應用及汽車方面，語音辨識也迅速成為人類和諸多終端產品的標準鏈結方式。傳統上，由具備DSP(數位信號處理器)和MCU(微控制器)功能的系統可支援上述的市場需求：MCU往往使用於錄製和播放聲音、並負責使用者的介面互動；而DSP則專門處理錄製語音並進行大量複雜運算。近年來，一種名為數位信號控制器的產品逐漸嶄露頭角。數位信號控制器(DSC)整合了功能齊全的定點DSP引擎、微控制器、以及多種周邊模組，對於必須顧全高品質、低成本的語音和電信應用系統而言，DSC提供了極具吸引力的替代方案。本文將探討：在處理語音信號的嵌入式系統內，DSP和DSC所扮演的角色為何？

圖1為一採用Microchip dsPIC DSC的手機免持聽筒設備的參考設計，此一應用面臨不少挑戰。發話端的聲音透過汽車的揚聲器反應到麥克風，導致呼叫者聽到自身的回音；此外，如果汽車週遭的環境喧鬧，受話方就無法清楚瞭解發話內容。因此，手機的免持設備需要應用更精確的計算方式以抑止背景噪音和解決語音訊號的回音問題，以上即為處理語音信號的嵌入式系統所需面對的典型挑戰。為了辨認處理器是否能夠滿足這樣的運算要求，我們需要研究語音訊號的特性。

圖1：Microchip的手機免持聽筒設備參考設計

語音處理的要求
人類的口音可以被類比為帶有特定頻寬和振幅的信號。由於語音信號有個4KHz的頻寬限制，這些訊號通常會在高達16KHz的採樣速率中被記錄、或數位化，而這也在處理系統設下了第一個重大的即時限制 ─ 數位化後的樣本需在65微秒內處理完畢。而聽力測試也證明了，可辨認的語音訊號，其信號噪音比 (SNR)需大於65dB ─ 此為第二個限制，儲存及處理數位信號樣本應大於11位元(每位元6dB的動態範圍)。採用16位元(bit)的處理器將提供96dB的動態範圍，並有足夠的動態餘域(Head Room)。

既然已經瞭解兩個處理器運作的主要限制，接下來我們要進一步探究：為何定點DSC或是DSP是處理語音信號的理想工具？

DSP用於語音應用
時至今日，許多廠商紛紛提供一系列處理語音信號的軟體庫，這些軟體庫有效利用DSP的特徵以便下游使用者免於從頭學習數位信號處理器(DSP)。許多案例指出，這些軟體庫符合業界標準，試舉數例，現有的一些軟件庫符合G..167(聲學回音消除標準)、G..168(線路回音消除標準)、及G.. 711或Speex(語音編解碼)。即使有這些現成的軟體庫，瞭解DSC及DSP產品所具備的基本DSP功能仍是相當重要的。

所有語音信號處理演算法的核心都是解出迴旋和(convolution sum)，為了要盡快解出其值，DSC和DSP均提供了可在單一週期內執行的乘法累加(Multiply-and-Accumulate , MAC)指令。對採樣速率為16KHz的語音數據而言，DSC每秒可處理4,000 萬個指令(40 MIPS)並允許處理器在兩次語音採樣之間執行2,600乘法累加(MAC)的指令。對於自選作業平台的處理能力有所認知，往後才能更靈活的運用在產品上。

在16位元的DSP或DSC中，一個乘法累加指令(MAC)可同時輸入兩個16位元的資料，兩者相乘得到32位元的結果後再加至累加器中。累加器其實就是個典型的40位元暫存器，它的寬度可以容納好幾個乘法累加操作的結果。DSC/DSP也會自動對累加器的內容做界線檢查(limit- checking)以確保累加器的數值不會超出範圍。這樣的功能被稱為「溢位保護」(Overflow Protection)或「飽和」 (Saturation)。事實上，許多在16位元的DSC或DSP的運算皆以40位元的精確度執行；不過，當處理程序完成、需要將輸出樣本儲存至記憶體內時，DSP/DSC即在40位元的累加器內可以進行智慧性近似法方式以將計算後的結果儲存至16位元的記憶體內。

語音應用的系統整合
許多數位信號控制器整合了電路板上類比、微控制器、以及數位信號處理器零件，將大部分的語音應用工具整合在單一晶片上。語音應用中，由麥克風輔助聲音訊號的輸入，而此聲音訊號由外加的Codec元件或DSC內建的類比至數位資料轉換器(A/D converter)數位化成16位元的脈衝編碼調變 (Pulse Code Modulated , PCM)樣本。而脈衝調變樣本在經數位到類比資料轉換(D/A converter)的過程之後、輸出到揚聲器或頭戴式耳機。而此數位到類比(D/A)的轉換也可以由獨立的Codec、或是數位到類比轉換器(D/A converter)完成。

另一種逐漸流行的低成本替代方案是去驅動晶片上的脈寬調變(Pulse Width Modulation, PWM)周邊，PWM輸出經低通濾波(low-pass filter)到達揚聲器，部分DSC還增設了直接記憶存取(Direct Memory Access, DMA )周邊，該週邊支援緩衝器資料自動的存取，同時也減少處理器處理中斷服務所造成的延遲。

從消費性的應用到網路語音電話(VoIP)，語音處理在嵌入式系統中越來越常見。數位信號控制器(DSC)達成系統的高度整合，從而減低成本並提高可靠性。

筆者補充：
Microchip提供的參考樣本(如圖1)，針對車內手機免持聽筒設備提供了一個立即可用、利用dsPIC DSC的解決方案。該套工具包含完整的硬體說明：諸如原理說明、印刷電路圖(Printed Circuit Board layout)、和材料清單，也包含可完成回音消除和噪音抑制的獨立軟體應用。該套工具不公開販售，但合乎資格的客戶可從Microchip銷售業務部獲取。

原文連結：數位信號控制器(DSC)支援嵌入式語音應用
進一步了解其他相關文章：數位信號控制器
由COMPOTECH Asia自製的影片：都在Yahoo!影片分享--CTOV On Demand

還沒成為COMPOTECH Asia網站的免費讀者嗎? 立即註冊

對文章有任何疑問或是意見嗎?歡迎在下方留下您的想法

近一步瞭解其他資訊：
COMPOTECH Asia 電子與電腦資訊網
CTOV Online Video