系統(tǒng)硬件環(huán)境 - 基于DSP的高速實時語音識別系統(tǒng)的設(shè)計

2 系統(tǒng)硬件環(huán)境

　　本系統(tǒng)的核心芯片為TI公司的32位浮點數(shù)字信號處理器TMS320C6713。其時鐘頻率最高可達300 MHz，處理能力可以高達1 336 MIPS和1 000 MFLOPS。由于256 kB的片上RAM無法滿足多路信號處理時的空間需求，系統(tǒng)通過EMIF(External Memory Interface，外部存儲器接口)擴展了32 MB的外部SDRAM，并采用EDMA(External Direct Memory Access，擴展的直接存儲器訪問)方式對這些外部空間進行訪問。

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　　TMS320C6713有2個McBSPs(Multi-channel Buff-ered Serial Port，多通道緩沖串口)，每個McBSP，可與多達128個通道進行收發(fā)。本系統(tǒng)中采用McBSP0實現(xiàn)數(shù)字語音信號到DSP的輸入，DSP進行實時判別后輸出結(jié)果。

3 軟件實現(xiàn)

　　由于TMS320C6x系列的C語言編譯器的效率可達匯編語言的70％～80％，并且C語言具有開發(fā)周期短、可維護性好、可移植性好、可繼承性好等優(yōu)點，所以軟件采用C語言實現(xiàn)。

3.1 軟件流程

　　測試中采用10個參考模板，每個模板由相應(yīng)的參考語音中2 s的語音數(shù)據(jù)訓(xùn)練而成。識別策略為每路積累2 s的接收語音數(shù)據(jù)后與逐個參考模板進行匹配，如果經(jīng)由DTW運算所得的距離值小于特定的門限，就判決已匹配。如果不匹配，就繼續(xù)接收匹配，超過8 s匹配不上，就放棄。軟件流程框圖如圖5所示，其中語音數(shù)據(jù)的采樣率為8 000 Hz，每幀取256個采樣點，即32 ms的數(shù)據(jù)為一幀。

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　　程序調(diào)試通過后，采用CCS對其實時性進行分析。CCS(Code Composer Studio，代碼編譯器)是TI公司提供的軟件開發(fā)環(huán)境。他擴展了基本的代碼生成工具，集成了調(diào)試和實時分析功能。在CCS下，程序通過Wintech TDS510仿真器接到目標板的JTAG口進行硬件仿真測試。

　　測試發(fā)現(xiàn)1幀信號的處理時間為78 135 679個指令周期，即391 ms(TMS320C6713工作在200 MHz)，遠遠達不到實時處理的要求，必須對其進行優(yōu)化。

3.2 代碼的優(yōu)化

　　首先根據(jù)TI公司提供的軟件開發(fā)流程，從合作編譯器選項、使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、使用字訪問短整型數(shù)據(jù)和使用軟件流水等方面對代碼進行了優(yōu)化。具體實現(xiàn)中，采用-pm選項、-op3選項和-o3選項對程序進行了重新編譯。展開內(nèi)層循環(huán)，并通過#pragma MUST ITERATE()告訴編譯器循環(huán)執(zhí)行的次數(shù)，上述優(yōu)化后，處理一幀的時間從78 135 679個指令周期降到了50 364 683個指令周期，但是還是無法滿足實時性的要求。

　　進一步對代碼進行測試分析，提取MFCC參數(shù)的過程中，256點的實數(shù)FFT運算占用了大量的時間。TI公司針對C6000系列的DSP提供了豐富的庫函數(shù)可以方便地調(diào)用。這里，從dsp67x.lib中調(diào)用DSPF_dp_cfftr4_dif()進行256點實數(shù)的FFT運算，把提取MFCC的時間降為了0.72 ms。

　　由于采用10個參考模板，每路數(shù)據(jù)一次識別就要進行10次DTW的運算，所以如何減少DTW的運算時間是優(yōu)化的重點。對DTW的優(yōu)化從兩方面進行，首先采用查表法縮小匹配時搜索的區(qū)域。

　　由于DTW匹配的過程中限定了彎折的斜率，因此好多格點實際上是達不到的，如圖6所示。因此菱形之外的格點對應(yīng)的幀匹配距離是不需要計算的。在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，因為每次都以2 s和2 s的語音數(shù)據(jù)進行匹配，M和N都固定是64幀，所以可以建一個表格儲存菱形區(qū)域內(nèi)的測試幀號和參考幀號，匹配時只計算表格中兩幀間的矢量距離，即歐氏距離，從而把歐氏距離的運算從40 960次減少到了19 460次。

　　在采用DTW快速算法后，還需進行了19 460次歐氏距離的運算。測試可得，每次運算耗時1 524個指令周期，所以這部分的運算仍是影響識別速度的關(guān)鍵。為了進一步提高代碼的性能，把這段代碼改為線性匯編來實現(xiàn)。

　　完成上述全部優(yōu)化后，測試得到，處理一幀的時間為1 849 365個指令周期，其中TMS320C6713工作在200 MHz，即處理1幀的時間為1 849 365／200 000 000=9.25 ms，達到0.29倍實時。

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4 實驗及小結(jié)

　　為了測試上述系統(tǒng)的識別性能，對其進行了固定文本的說話人辨識實驗。實驗中，采用錄音設(shè)備錄制了10個人、3個不同時間所說的同一句話，共30句，平均時間長度為4.5 ms。從每個人的3句話中選擇頻譜最清晰的一句訓(xùn)練成模板，另外錄制20句由這10個人所說的長度接近但內(nèi)容不同的語音做測試語音。這樣模板庫中有10個模板，測試語音有50個。

　　首先通過各模板間的匹配，確定了判決門限0.2，然后把50句測試語音依次送入識別系統(tǒng)，所有語音全部正確匹配。

　　本文通過對DTW算法的改進，結(jié)合TMS320C6713的特點對C代碼進行了優(yōu)化，在保證識別率的情況下，用TMS320C6713成功地實現(xiàn)了語音信號的高速實時識別。