嵌入式語音采集與盲分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解析

　1 概述
　　盲信號(hào)分離（BSS）是指在對(duì)彼此獨(dú)立的源信號(hào)的混合過程及各源信號(hào)本身均未知的情況下，如何從混合信號(hào)中分離出這些源信號(hào)。BSS可以用來從多個(gè)話筒混合語音信號(hào)中提取出單個(gè)的語音信號(hào)。然而，現(xiàn)有的BSS算法比較復(fù)雜、運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性差，不能滿足語音處理對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，從而限制了它的硬件實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。
　　隨著IC技術(shù)的發(fā)展，DSP芯片的功能越來越強(qiáng)大。以數(shù)字器件特有的穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可大規(guī)模集成，特別是可編程性高和易于實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)處理的特點(diǎn)，DSP芯片從另一個(gè)方向解決了像BSS這樣復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)問題。由于系統(tǒng)開發(fā)中的復(fù)雜硬件功能現(xiàn)在均已集成到了DSP芯片中，系統(tǒng)開發(fā)人員只需選擇合適的芯片并根據(jù)該硬件結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)軟件即可。因此，系統(tǒng)開發(fā)的主要難度已經(jīng)轉(zhuǎn)移到了軟件設(shè)計(jì)上。而傳統(tǒng)的編程方式很難應(yīng)付日益復(fù)雜的算法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，編程難度很大。DSP/BIOS II是TI公司為它的TMS320C5000和TMS320C6000系列DSP而設(shè)計(jì)的、免費(fèi)的、用于復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的、可裁減的多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，它大大地簡化了程序設(shè)計(jì)的難度和提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　本文利用TMS320C6416 DSP設(shè)計(jì)出了基于DSP/BIOS II的、高性能的嵌入式混合語音盲信號(hào)分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集的兩路混合語音信號(hào)進(jìn)行BSS，能實(shí)時(shí)地輸出分離的語音信號(hào)。
　　2 盲信號(hào)分離
　　盲信號(hào)分離可以用下面的混合方程描述：
　　
　　式中為n個(gè)源信號(hào)構(gòu)成的n維向量；為m維觀測數(shù)據(jù)向量，它的元素是各個(gè)傳感器得到的輸出；mn維矩陣A稱為混合矩陣，它的元素表示信號(hào)的混合情況。
　　
　　式（1）的含義是n個(gè)源信號(hào)通過混合得到m維觀測數(shù)據(jù)向量。盲信號(hào)分離問題的提法是：在混合矩陣A和源信號(hào)未知的情況下，只根據(jù)觀測數(shù)據(jù)向量） X （t）確定分離矩陣W，使得變換后的輸出是源信號(hào)向量） S（t） 的復(fù)制或估計(jì)。
　　
　　圖1示意了這一過程。最大熵（ME）算法、獨(dú)立成分分析理論（ICA）、最小互信息量（MMI）算法和最大似然盲信號(hào)分離（ML）算法是幾種常用的盲信號(hào)分離算法。
　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　本系統(tǒng)用TMS320C6416芯片的2個(gè)McBSP和EDMA來實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的傳遞和分離語音的輸出。
　　3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　32 位定點(diǎn)TMS320C6416芯片是TI公司TMS320C64x系列DSP的代表產(chǎn)品，其時(shí)鐘頻率為400 ～600MHz，可以同時(shí)執(zhí)行8條32位指令，最大峰值速度為4800MIPS。外設(shè)資源十分豐富，其中包含一個(gè)具有64個(gè)獨(dú)立通道的增強(qiáng)型存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)（EDMA）控制器和3個(gè)多通道緩沖串口（McBSP）。
　　用于語音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的ADC和DAC很多，如TI公司生產(chǎn)的語音信號(hào)編碼解碼芯片TLC320AD50，ADI公司的AD1674等。由于C6416的McBSP通道含有μ律和A律壓擴(kuò)硬件，支持對(duì)輸入數(shù)據(jù)的μ律或A律擴(kuò)展以及對(duì)輸出數(shù)據(jù)的μ律或A律壓縮，又美國國家半導(dǎo)體（NS）公司的A律編解碼芯片TP3057為8位的串行A律壓擴(kuò)編解碼器，包含一個(gè)利用D/A、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的A律脈沖編碼調(diào)制的編/解碼器電路和一個(gè)串行PCM接口。因此，我們選用作TP3057為ADC和DAC。