单片机语音处理技术与应用
２００８年３月
第９卷第１期总第３２期
太原大学学报
ＪｏｕｒｎａｌＯｆＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶ０１．９Ｎｏ．１ＳｔｌｍＮｏ．３２
文章编号：１６７１—５９７７（２００８）０１—０１２６—０４
单片机语音处理技术与应用
袁蕾
（上海托普信息技术学院软件学院，上海２０１３００）
摘要：语音处理技术是现代多媒体技术研究的核心内容之一。单片机语音处理技术越来越广泛地应用于各种过程控制与移动场合，与同类产品比较，凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ在小型语音处理环境中更具适用性。
关键词：多媒体技术；单片机；语音处理
中图分类号：ＴＰ３６８．２文献标识码：Ａ
多媒体技术是现代计算机应用技术中极其活跃的一门新兴技术，音像处理是多媒体技术的核心研究对象，语音处理是声音处理技术中极为重要的实用技术。语音处理技术的基础是语音学和数字信号处理，它包括语音分析技术、语音存储技术、语音识别技术和语音合成（重现）技术。在这方面，凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ采用了独特的硬件设计和软件算法，使得利用它进行音频处理时外围器件减少，程序设计简化，它的硬件乘法器直接实现乘法运算和内积运算，为ＤＳＰ应用提供了良好地条件，较之同类单片机产品，它特别适合小型片语式智能化产品的开发应用，本文对凌阳ＳＰｑ田６１Ａ在语音处理技术方面的原理与应用提出了一些自己的看法。
１音频处理
计算机处理音频主要采用几项技术：采样与量化技术、音频保存技术、音频压缩编码技术、音频重现与辨识技术。
采样与量化是将自然界中声音按一定要求采集到计算机中，是声音处理技术的基础。可听音频的频率在２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ范围内，语音的频率一般在６０Ｈｚ～５００Ｈｚ范围内。音频可分为波形声音、语音和音乐三种。与任何声音一样，语音也表现为波形声音，但波形声音表示不出语言、语音的内涵。语音是对讲话声音的一次抽象，是语言的载体，是人类社会特有的一种信息系统。音乐是特殊的声音，是声音的一个微弱子集，是规范化符号化了的声音。但音乐不能对所有的声音进行符号化。乐谱是符号化声音的符号组，不同的组合表示比单个号更复杂的声音信息。
计算机处理音频时首先要将模拟的（连续的）声音波形数字化（离散化），这要通过Ａ／Ｄ转换器来实现，转换后的音频称为数字音频，它的质量取决于Ａ／Ｄ转换器的转换速率和分辨率，速率越高表征单位时间内采集到的数据越多，分辨率越高表征采集到的数据精度越高，所以音频处理中对音频的采样频率和量化位数是两个重要参数。
一般的语音处理系统硬件结构如图１所示。
网
Ｉ／０存储器
图１语音处理系统
采集到的音频信号由音频文件保存。音频文件分为两类：声音文件和ＭＩＤＩ文件。
为了高效高质量地传输与回放数字语音信
息，语音存储中采用了多种编码格式，主要有＊．ＷＡＶ、脏／Ａ刀ＦＦ、＊．Ａｕｄｉｏ、＊．＾加Ｐ１／＊．眦／
＊．Ａ嗄Ｐ３、＊．ＲＡ／＊．ＲＭ／＊．ＲＡＭ、＊．ＭＩＤ／＊．ＲＭＩ等格式。不同的格式所选用的编码压缩参数和压缩算法不同，用途也有侧重，如＊．ＷＡＶ被Ｗｉｎｄｏｗｓ平台及其应用程序广泛支持，但文件尺寸较大，多用于存储简短的声音片段。＊．Ａｕ—ｄｉｏ常用于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中。＊．ＭＰｌ／＊．Ｍ］Ｐ２／
收稿日期：２００８—０３—１０
作者简介：袁蕾（１９８０一），女，山西太原人，上海托普信息技术学院软件学院助教，上海交通大学２００７级硕士研究生。
研究方向：软件工程。
?１２６?
万方数据
＊．ＭＰ３压缩比高而音质基本保持不失真，是目前使用最多的格式。＊．ＲＡ／＊．ＲＭ／＊．ＲＡＭ主要用于在低速的广域网上实时传输音频信息，网络连接速率不同，客户端所获得的声音质量也不尽相同：对于２８．８Ｋｂｐｓ的连接，可以达到广播级的声音质量，如果拥有ＩＳＤＮ或更快的线路连接，则可获得ＣＤ音质的声音。＊．ＭＩＤ／＊．ＲＭＩ是数字音乐／电子合成乐器的统一国际标准，它
定义了计算机音乐程序、合成器及其它电子设备交换音乐信号的方式，还规定了不同厂家的电子乐器与计算机连接的电缆和硬件及设备间数据传输的协议，可用于为不同乐器创建数字声音，可以模拟大提琴、小提琴、钢琴等常见乐器。
由于音频资料量很大，必须对资料进行压缩以达到高效率存储和转换资料的目的。各种音频文件采用不同的编码压缩技术进行编码，一方面滤除语音信息中存在的冗余度，另一方面能够保持纯正而不失真，同时又可用较少的资源建立更多的信息。
常见的音频压缩编码算法有：波形编码、参数编码、混合编码等，它们各有特点，针对不同的场合选用。
语音合成可分两个档次：有限词汇的语音合成和基于语音合成技术的文字语音转换。目前，有限词汇的语音合成技术已经比较成熟，由于词的语音在语句中比较稳定，因此以词为基元而合成的语句可理解度也较好，合成方法亦灵活多样，应用前景比较好。无限词汇和基于文字的语音合成技术目前尚不完美，因为它们都需要按语法规则造句，词元之间相互影响甚大，音调的辨意作用等都加剧了语音合成质量的难度。语音合成的方法有三种类型：波形合成法、参数合成法和规则合成法。波形合成法需要的存储容量较大。参数合成法以牺牲音质来换取存储空间的减少。规则合成法应用中有很大难度。
语音识别是让系统能够听懂和理解人的讲话并按讲话要求完成相应的动作。
语音识别是一种多维模式识别系统，与一般模式识别类似，包括特征提取、语音模式库、模式匹配３个基本单元。基本结构如图２所示。
语音识别方法可从不同角度分类，如按识别单位分为孤立词识别、音素识别、音节识别、孤立词句识别、连接词句识别、连续语音识别等。按识别规模分为小词汇（１０个～１５个）、中词汇（５０磊雕℃一
训练＼堡型臣壁∑
存储器用来存储应用程序、驱动程序、各种数据
?１２７?
万方数据
单片机在语音处理领域中的应用一般具有如下特点：
１．中小词汇量和非特定人语音识别场合；
２．低速率语音压缩要求；
３．低成本低价格；
４．低功耗；
５．基于ＳｏＣ架构，高集成度和高稳定性；
６．较强的对外控制能力；
７．速度快，能满足语音处理的实时性要求；
８．多通道，可根据具体应用的要求处理不同质量的语音或音频信号。
图３表达了单片机语音处理模块的基本要求和架构。
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电源管理时钟片上存储器系统发生器（ＲＡＭ和ＲＯＭ）图３单片机语音处理模块基本架构
软件方面，虽然语音数据特征提取、声学模型建立、识别算法设计及识别解码过程繁琐而复杂，但在实际应用中，厂家一般都提供有专门的ＡＰＩ接口函数，大大降低了用户应用中的难度。
３凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ单片机语音处理技术
凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ是一款１６位弘’ｎＳＰ结构的微控制器。该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到４９ＭＨｚ。ＳＰＣＥ０６１Ａ内嵌３２Ｋ字的ＦＬＡＳＨ程序存储器以及２Ｋ的ＳＲＡＭ。同时该ＳＯＣ芯片具有ＡＤＣ和ＤＡＣ功能，其ＭＩＧＪ如Ｃ通道带有ＡＧＣ自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路１０位的电流输出型ｎ蛇，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。凌阳趼，ＣＢＤ６１Ａ单片机设计先进，特点突出，易学易用，体现了现代微控制器工业发展的新趋势。
凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下三种：
波形编码压缩算法刚ＣＭ—Ａ２０００：压缩比为８：１、８：１．２５和８：１．５，用于高保真语音／音乐?１２８?环境。
参数编码压缩算法＆吣Ｍ—Ｓ２４０：压缩比为８０：１．５，特点是压缩比大，计算量大，音质不高。
混合编码压缩算法＆崛Ｍ—Ｓ４８０：压缩比为８０：３、８０：４．５，兼具波形编码和参数编码之优点。
凌阳ＳＰＣＥ０６１Ａ将语音处理相关各功能做成函数模块，通过ＡＰＩ调用来实现。这些函数分为两类：用于音频资料播放的凌阳音频编码（ＳＡＣＭ）类和用于辨识语音的语音识别（Ⅸ淑）类。
对输入生成的ＷＡｖＥ文件按不同的压缩算法压缩成ＳＡＣＭ—Ａ２０００或ＳＡＣＩ＼，Ｉ一８，４８０等相应语音资料后，就可利用＆崛Ｍ—ＬＩＢ库对这些资料进行处理。该库将Ａ／Ｄ、编码、解码、存储及Ｄ／Ａ做成相应的模块，每个模块都有其应用程序接口ＡＰＩ函数，调用对应函数即可实现各自功能。
如针对特定人语音辨识，ＳＡＣＭ—ＬＩＢ库中提供了包括Ｃ语言和汇编语言两种格式定义的ＡＰＩ函数，常用语音辨识ＡＰＩ函数有：
１．ＳＲＡＭ初始化函数ｉｎｔＢＳＲ—ＤｅｌｅｔｅＳＤ．Ｇｒｏｕｐ（ｉｎｔ）
２．训练函数ｉｎｔＢＳＲ—Ｔｒａｉｎ（ｉｎｔＣｏｍｍａｎｄｌＤ，ｉｎｔＴｒａｉｎＭｏｄｅ）
３．识别初始化函数ｉｎｔＢＳＲ—ＩｎｉｔＲｅｅｏｇｎｉｚｅｒ（ｉｎｔＡｕｄｉｏＳｏｕｒｃｅ）
４．获取识别结果函数ｉｎｔＢＳＲ—ＧｅｔＲｅｓｕｌｔ（ｖｏｉｄ）
５．停止识别函数ｖｏｉｄＢＳＲ—ＳｔｏｐＲｅｃｏｇｎｉｚｅｒ（ｖｏｉｄ）
６．识别中断程序一ＢＳＲ—ＦＩＱ—Ｒｏｕｔｉｎｅ
配合语音压缩及播放的相关ＡＰＩ函数，即可构成一个完整的语音应用系统。
下面是一个具体实例。程序中我们通过三条语句的训练完成特定人连续音识别，其中第一条语句作为触发，另外两条语句作为具体完成的动作命令，训练完毕开始辨识。当识别出触发指令后，提示发布动作命令，即可听到自己设置的应答。
算法如下：
１．训练部分
提示音输入语音“请给我起个名字吧”“小强”
“请输入第一条动作指令”“唱首歌吧”
“请输入第二条动作指令”“跳个舞吧”
万方数据
“请再说一遍”（以上提示音每说完一遍出现此命令）
“没有听到任何声音”（当没有检测到声音时出现此命令）
“两次输人名称不相同”（当两次输入的名称不同时出现此命令）
“两次输入命令不相同”（当两次输入的命令有差异时出现此命令）
“准备就绪，开始辨识”（以上三条语句全部训练成功时，进入识别）
图４主程序流程图
２．识别部分
发布动作命令应答
“小强”“到”
“唱首歌吧”开始唱歌
“跳个舞吧”开始跳舞
３．主程序流程图见图４。
５结语
语音处理技术对下一代多模式交互人机界面设计技术有重要影响，随着消费类电子产品中对于高性能、高稳定性的语音接口需求的快速增加，单片机及嵌入式语音处理技术在快速发展。语音处理系统在硬件上通常基于ＬＳＩ、ＭＣＵ、ＤＳＰ等芯片方案，软件上采用语音识别、语音合成、语音压缩编解码、回声消除等技术，可以广泛应用于过程控制、各种手持设备、智能家电等多个领域，赋予这些设备人性化的交互方式和便利的使用方法；也可应用于益智类产品如声控玩具、语言教学设备；还可以应用于车载通信设备中实现人机交流，提供安全、便捷、高效的操控接口。目前手机厂商推出的新款高档手机中已经加入非特定人姓名拨号、低速率语音压缩编解码、回声消除等语音处理的功能。然而，这些解决方案目前还普遍存在一些问题，随着软硬件技术的进一步研究，这些问题一定会在不久的将来得到合理解决，语音处理技术将为计算机的深入应用带来更加广阔的空间。
［责任编辑：赵自谦］
ＳｐｅｅｃｈＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ
ＹＵＡＮＬｅｉ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｏｆｔｗａｒｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＴＯＰＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１３００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｐｅｅｃｈｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｏｏｒｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｒｎｍｕｌｔｉ—ｍｅｄｉａｔｅｃｈｎｉｑｕｅｒｅｓｅａｒｃｈ．ＴｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔｉｓｂｅｉｒａｇａｐｐｌｉｅｄｔＯｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｍｏｂｉｌｅｉｎｖａｒｉｏｕｓｐｒｏｃｅｓｓｍｏｒｅａｎｄｎｌｏｒｅａｎｄｂｒｏａｄｌｙ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｏｔｈｅｒｓｏｆｔｈｅｓａｍｅｋｉｎｄｐｒｏｄｕｃｔｓ．ｔｈｅＳｌ硼６１Ａｅｖｅｎｈａｓｔｈｅａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙｉｎｍｕａｌｌｓｃａｌｅｄｓｐｅｅｃｈｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｍｕｌｔｉ?ｍｅｄｉａｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ＭｉｃｒｏＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ；ＳｐｅｅｃｈＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ
?１２９?
万方数据
单片机语音处理技术与应用
作者：袁蕾， YUAN Lei
作者单位：上海托普信息技术学院,软件学院,上海,201300
刊名：
太原大学学报
英文刊名：JOURNAL OF TAIYUAN UNIVERSITY
年，卷(期)：2008，9(2)
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本文链接：https://www.360docs.net/doc/7e3444688.html,/Periodical_tydxxb200802037.aspx
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