CN206961516U - 一种基于arm芯片的语谱分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于ARM芯片的语谱分析装置，包括：A/D转换器、ARM芯片、数据缓存器和显示器，其中，A/D转换器与数据缓存器连接，用于将语音信号转换为数字信号，并将数字信号发送给数据缓存器；ARM芯片分别与数据缓存器和显示器连接，用于滤除数字信号的噪声得到语音增强信号，采用非线性映射变换得到与语音增强信号的幅度值对应的灰度值，并控制显示器按照设定指令显示灰度值。本实用新型利用ARM芯片接口类型丰富及价格低廉的特点，通过ARM芯片对语音信号进行去噪处理得到语音增强处理，并将语音信号以语谱图的形式显示出来。本实用新型的语谱分析装置，不仅成本低、准确度高，而且结构简单，携带方便，实时性强，开发周期短。

Description

一种基于ARM芯片的语谱分析装置

技术领域

本实用新型涉及数字信号处理领域，特别是涉及一种基于ARM芯片的语谱分析装置。

背景技术

时频分析是20世纪80年代发展起来的新技术，已广泛应用于雷达、图像分解、通信、计算机视觉与编码、信号奇异性检测、信号估计、语音分析与合成语音、生物信号等领域。作为分析时变非平稳信号的有力工具，时频分析方法的基本思想是构造时间和频率的联合函数，用来描述信号在不同时间和不同频率处的能量密度或强度，以及估计信号的特征参量。时频分析的方法可以分为线性和非线性两种。典型的线性时频表示有短时傅立叶变换(short-time Fouriertransform，STFT)、格伯(Gabor)展开和小波变换等，非线性时频方法最典型的是魏格纳一威利分布(Wigner-Ville Distribution，WVD)和柯恩(Cohen)类。

短时傅里叶变换(STFT)是为了解决傅里叶变换不能表示频率分量时间局域化的问题而提出的，具有算法设计简单，容易实现的特点，已经成为非平稳信号分析的有力工具，由于其基础是傅里叶变换，更适合分析准平稳信号，特别在语音信号分析和处理中得到了广泛的应用，语谱图就是一种典型的时频谱图。

语谱分析系统主要包括语音信号的采集、分帧加窗处理、短时傅里叶处理、以及分析结果的显示。对于这种多任务，大运算量的处理计算，目前主要借助高级软件工具在PC机上实现，操作系统要完成语音信号的采集、处理及显示功能，但是很难做到实时处理，并且不便于携带。现有的基于FPGA的语谱分析仪存在三个明显的缺点：(1)制作成本高；(3)FPGA性能浪费；(3)没考虑噪声对语谱图的影响，语谱分析误差比较大。

因此，如何提供一种成本低、准确度高的语谱分析装置，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于ARM芯片的语谱分析装置，装置成本低、准确度高。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于ARM芯片的语谱分析装置，所述装置包括：A/D转换器、ARM芯片、数据缓存器和显示器，其中，

所述A/D转换器与数据缓存器连接，用于将语音信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送给所述数据缓存器；

所述ARM芯片分别与所述数据缓存器和所述显示器连接，用于滤除所述数字信号的噪声得到语音增强信号，采用非线性映射变换得到与所述语音增强信号的幅度值对应的灰度值，并控制所述显示器按照设定指令显示所述灰度值。

可选的，所述A/D转换器为音频A/D转换芯片。

可选的，所述显示器为薄膜晶体管液晶显示器。

可选的，所述数据缓存器为SDRAM数据存储芯片。

可选的，所述语谱分析装置还包括FLASH芯片，所述FLASH芯片与所述ARM芯片连接。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型利用了ARM芯片接口类型丰富及价格低廉的特点，通过ARM芯片对语音信号进行去噪处理得到语音增强处理，并将语音信号以语谱图的形式显示出来。本实用新型提供的语谱分析装置不仅成本低、准确度高，而且结构简单，携带方便，实时性强，开发周期短。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例1语谱分析装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例1ARM芯片103的结构框图；

图3为本实用新型实施例2语谱分析装置的信令交互图；

图4为本实用新型实施例2谱分析装置的结构框图；

图5为本实用新型实施例2中音频ADC芯片的接口电路图；

图6为本实用新型实施例2中TFT-LCD芯片的接口电路图；

图7为本实用新型实施例2中复位芯片的电路图；

图8为本实用新型实施例2中电压+5V转+3.3V的电路图；

图9为本实用新型实施例2中电压+3.3V转+1.3V的电路图；

图10为本实用新型实施例2中SDRAM芯片接口电路图

图11为本实用新型实施例2中FLASH芯片接口电路图；

图12为本实用新型实施例2中时钟芯片电路图；

图13为本实用新型实施例2中幅度谱减法流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种基于ARM芯片的语谱分析装置，装置成本低、准确度高。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

实施例1：

如图1所示，基于ARM芯片的语谱分析装置包括：A/D转换器101、数据缓存器102、ARM芯片103、显示器104和FLASH芯片105，其中，

A/D转换器101与数据缓存器102连接，用于将语音信号转换为数字信号，并将数字信号发送给数据缓存器102；

ARM芯片103分别与数据缓存器102、显示器104和FLASH芯片105连接，用于滤除数字信号的噪声得到语音增强信号，采用非线性映射变换得到与语音增强信号的幅度值对应的灰度值，并控制显示器104按照设定指令显示灰度值。

本实施例中，A/D转换器101为音频A/D转换芯片，显示器104为薄膜晶体管液晶显示器(thin film transistor-liquid crystal display LCD，TFT-LCD)，数据缓存器为SDRAM芯片，FLASH芯片105用于存储ARM芯片103的运行程序。

如图2所示，ARM芯片103具体包括：

时域/频域变换模块1031、语音增强模块1032、非线性映射模块1033和显示控制模块1034，其中，

时域/频域变换模块1031，与数据缓存器102连接，用于计算从数据缓存器102中读取的数字信号的总幅度谱，本实施例中的时域/频域变换模块1031为短时傅里叶变换模块；

语音增强模块1032与时域/频域变换模块1031连接，用于滤除总幅度谱中的噪声，得到语音增强信号的信号幅度谱，本实施例中语音增强模块1032采用幅度谱减法滤除总幅度谱中的噪声，得到信号幅度谱。本实施例的语谱分析装置设置有用于滤除噪声的语音增强模块，因此语谱分析的准确度高，分析误差较小。

非线性映射模块1033与语音增强模块1032连接，用于对信号幅度谱进行非线性映射变换，得到分别与信号幅度谱的幅度值对应的灰度值，并将灰度值发送给数据缓存器102。本实施例中，非线性映射模块1033根据公式：对信号幅度谱进行非线性映射变换，得到分别与信号幅度谱的幅度值对应的灰度值，其中，y表示幅度值，x表示灰度值，m表示幅度值的比特位数，n表示灰度值的比特位数。

显示控制模块1034，与显示器104连接，用于从数据缓存器102中读取灰度值，并控制显示器104按照设定指令显示灰度值。

实施例2：

如图3和图4所示，基于ARM芯片的语谱分析系统包括：A/D转换器101、数据缓存器102、ARM芯片103、显示器104、FLASH芯片105、复位芯片106、电源芯片107、时钟芯片108和显示缓存器109。音频ADC芯片101与数据缓存器102，ARM芯片103分别与数据缓存器102、显示器104、FLASH芯片105、复位芯片106、电源芯片107、时钟芯片108和显示缓存器109连接。

具体地，A/D转换器101为音频ADC芯片，数据缓存器102和显示缓存器109均为SDRAM芯片，显示器104为TFT-LCD芯片。

如图4所示，ARM芯片103包括:短时傅里叶变换模块、语音增强模块、非线性映射模块和显示控制模块。

为了降低装置的成本，本实施例选择了低价格、低功耗、高性能、小功率的微处理器S3C2440A作为ARM芯片103。S3C2440A是一款专门为手持设备设计的芯片，其具有高速的处理计算能力且功耗低。采用了ARM920T内核的高性能CPU，其工作频率高达400MHz，0.13微米COMS的标准宏单元和存储单元，具有独立的16KB指令和16KB数据cache，MMU虚拟内存管理单元。它功耗小、简单、稳定的特点能够满足对电源要求较高的产品，且采用了新的总线构架(AMBA)。内核供电电压降为1.3V，减小了控制器的功耗，30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns(30MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力，实现了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速缓冲体系结构。

音频ADC芯片101的接口电路如图5所示，音频ADC芯片101选用UDA1341TS，S3C2440A处理器内置了IIS总线信号与UDA1341TS音频编解码器的IIS信号直接相连。S3C2440A的IIS总线时钟信号SCK与音频编解码器的BCK连接，字段选择线连接于WS引脚。UDA1341TS提供两个音频通道，分别用于输入和输出，对应的引脚连接：IIS总线的音频输出IISSDO对应于编解码器的音频输入，IIS总线的音频输入对应于UDA1341TS的音频输出。L3接口的引脚L3MODE、L3CLOCK和L3DATA分别连接到S3C2440A的3个通用数据输出引脚。

本实施例的显示器为LCD显示器，相应的显示控制模块为LCD控制器。图6所示为本实施例选用的TFT-LCD芯片104的接口电路图。TFT-LCD芯片104的具体型号为LQ080V3DG01芯片，LQ080V3DG01由彩色TFT-LCD面板、驱动电路、控制电路、供电电路及背光单元组成。LQ080V3DG01支持最大分辨率为640×480的图形和文字显示，数据输入格式为18bit，其中红绿蓝各占6bit。TFT-LCD需要+3.3V或+5V供电电压，背光需要交流电源供电。输入的控制信号有4个：帧同步信号VSYNC、行同步信号HSYNC、数据使能信号ENAB及时钟信号CK。数据线宽度是18bit，红绿蓝各占6bit，分别是R[0:5]、G[0:5]及B[0:5]。LQ080V3DG01液晶显示屏的数据线共18bit，对于24bit的彩色图像以及24bit的ARM9S3C2440A的TFT-LCD控制器而言，其接口并不兼容。本实施例中为了适应LQ080V3DG01液晶显示屏的接口，分别舍弃了8bit R、G、B值的低2位。

复位芯片106的电路如图7所示，复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的门电路构成，也可以采用复位管理芯片来控制处理器的复位，本实施例中选用复位芯片，具体连接电路如图7所示。

电源接口电路使用3.3V和1.3V的稳压直流电源，其中S3C2440A内核需1.3供电，存储器和外部I/O需要3.3V。系统的主电源为高质量的5V直流稳压电源，从5V到3.3V的转换芯片很多，本实施例选用LM1117IDTX-3.3进行转换，如图8所示。内核电源1.3V由3.3V转化得到，选用芯片MAX8860EUA18，如图9所示。该芯片可以工作在两种模式，一种是输出固定电压1.8V，另一种为可调模式，输出范围为+1.25V到+6.5V，本实施例选用可调模式，在这种模式下需将SET接地。

SDRAM芯片102的接口电路如图10所示，本实施例中选用K4S561632C-TC75芯片，16位数据宽度，单片容量为32MB。根据实际应用需求，其可构建16位或32位的SDRAM存储器系统，但为充分发挥32位CPU的数据处理能力，采用32位SDRAM存储器系统。系统选用的两片K4S561632C-TC75并联构建32位的存储器系统，总共64MB的SDRAM空间，可满足嵌入式操作系统及各种相对较复杂算法的运行要求。

FLASH芯片105的接口电路如图9所示，本实施例选用了三星公司的NAND Flash芯片K9F1208。K9F1208主要引脚功能介绍如下：(1)/CE：芯片选择控制；(2)/RE：数据输出控制；低电平有效时数据送到I/O总线上，列值加1。(3)/WE：写使能；I/O口的命令、地址、数据在其上升沿被锁存。(4)/WP：写保护。低电平有效，当它有效时，内部的高压生成器将会复位。(5)CLE：命令锁存使能。高电平时，在/WE上升沿将命令发送到命令寄存器。(6)ALE：地址锁存使能。高电平时，在/WE上升沿将地址输入到地址寄存器中。(7)R/B：指示器件的状态。0为忙，1为闲。(8)I/O[7：0]数据输入输出端，芯片未选中为高阻态。

时钟芯片108的电路如图12所示，时钟电路用于向处理器和其它电路提供时钟，S3C2440A时钟控制逻辑能够产生CPU所需的FCLK、AHB总线的外围设备所需的HCLK，APB总线的外围设备所需的PCLK，S3C2440A具有两个PLL，其中一个是提供给FCLK，PLCK，HCLK的。根据S3C2440A的最高频率和PLL电路的工作方式，该系统选择16.9344M时钟输入，经过PLL倍频到400MHz。

本实用新型的ARM芯片103包括依次相连接的短时傅里叶变换模块、语音增强模块、幅度谱非线性映射模块和LCD控制器。数据缓存器、ARM芯片、显示缓存器依次相连，LCD控制器与TFT-LCD模块相连接。

A/D转换器，用于采集模拟语音信号并将其转化为带环境噪声的数字语音信号。

数据缓存器，用于接收A/D转换器输出的带环境噪声的数字语音信号，并将接收到的带环境噪声的数字语音信号进行存储。

短时傅里叶变换模块，用于接收数据缓存器传输的带环境噪声的数字语音信号，对该语音信号进行加窗处理后进行快速傅里叶变换处理，将时域信号变换到频域，根据输出频域数据的实部和虚部计算出带环境噪声的语音信号的16位幅度谱，并将该16位幅度谱传输给语音增强模块；

语音增强模块，用于接收短时傅里叶变换模块传输的带环境噪声的语音信号的16位幅度谱，利用无声活动时，例如在语音停顿的间隙的平均幅度谱的估计来代替噪声的幅度谱，应用幅度谱减法计算出语音增强信号的16位幅度谱，并将该16位幅度谱送入幅度谱非线性映射模块；

谱减法的原理是：在频域从带噪语音信号的频谱中将噪声的频谱分量减去。其设计思想是在假设加性噪声与短时平稳的语音信号相互独立的条件下，从带噪语音信号的幅度谱中减去噪声的幅度谱，进而得到去噪后较纯净的语音幅度谱。假设带噪语音信号为：

y(i)＝s(i)+n(i) (1)

其中，y(i)为时域的带噪语音信号，s(i)为时域的纯净语音信号，n(i)为时域的噪声信号。

两边同时做离散时间傅里叶变换：

Y(k)＝S(k)+N(k) (2)

其中，Y(k)表示带噪语音信号的频谱，S(k)表示纯净语音信号的频谱，N(k)表示噪声信号的频谱。

将Y(k)以极坐标形式表示：

其中|Y(k)|为幅度谱，Φ_y(k)是带噪语音信号的相位谱。噪声谱N(k)同样可以通过其幅度和相位谱来表示为：其中，Φ_n(k)为噪声信号的相位谱。

噪声幅度谱|N(k)|是未知的，但可以通过无语音活动时，例如在语音停顿的间隙的平均幅度谱的估计来代替。类似的，噪声相位Φ_n(k)可由带噪语音信号的相位Φ_y(k)来代替，这是因为相位不会对语音的可懂度造成影响。

通过对式(2)和式(3)中做以上替换，可以得到纯净信号的一种估计：

其中，S^*(k)表示纯净语音信号的估计值，N^*(k)表示噪声信号的估计值。

取S^*(k)的幅值：

|S^*(k)|＝|Y(k)|-|N^*(k)| (5)

其中，|S^*(k)|为纯净语音幅度谱，|S^*(k)|是通过计算得出的，也是一种估计值，|N^*(k)|是在无语音活动时的噪声幅度谱估计。

本实用新型的语谱分析系统主要利用ARM芯片丰富的接口类型，巧妙的设计了信号分帧与信号加窗模块。设计基4按时间抽取1024点处理单元，对信号进行傅里叶变换，根据幅度谱计算公式求出幅度谱。

本实施例的语谱分析系统的理论基础是短时傅里叶变换，对于第一帧信号，首先选择一定长度和类型的窗函数，然后将窗函数数据与信号数据进行相乘，得到加窗后的信号，再做快速傅里叶变换，将处理的结果保存起来。对于第二帧信号，在第一帧的基础上将窗函数向右滑动一定的长度，然后再与相应的信号进行相乘加窗，之后进行快速傅里叶变换，处理的结果继续保存起来。以此类推，一直到所有采集到的信号都处理完结束。

非线性映射模块，用于接收语音增强模块传输的16位幅度谱，对接收到的16位幅度谱进行非线性映射变换，变成灰度图像的8位灰度值，并将该8位灰度值送入显示缓存器；

具体地，信号经过短时傅里叶变换和语音增强，输出的频域数据由实部和虚部两部分组成，可以计算出信号的幅度谱。对于语谱图的显示，通常的做法是求取对数，然后再经过线性映射，得到灰度图像的灰度值。由于实现对数比较困难，本实用新型将幅度谱映射为灰度图像的灰度值，使得生成的新灰度图像能够尽量保持原灰度图像的灰度分布，显示出更多的视觉信息，其实质是将高灰度分辨率图像转化为低灰度分辨率图像。由于幅度谱值为16比特无符号整数，故最大值为65535，要将其映射为0到255之间的数。非线性映射方法的具体实现公式如下：

其中，y表示幅度值，x表示灰度值。

因此，在已知幅度谱的情况下可计算出灰度值：

本实施例的语谱分析系统中的非线性映射模块，对语音增强信号的16位的幅度谱进行非线性映射变换，将其变成8位的灰度图像的灰度值存储起来，这样就避免了ARM芯片求解对数比较难的问题，同时，ARM芯片内部的存储器资源也将会节省50％。

显示缓存器，用于接收非线性映射模块传输的灰度图像的8位灰度值，并将接收到的灰度图像的8位灰度值存储起来；

显示控制模块，S3C2440A内部LCD控制器接口支持STN-LCD及TFT-LCD的无缝连接，它支持单色、调色板彩色及24bit真彩色的显示。根据不同的设计要求，通过程序可以实现相应的LCD分辨率，数据格式及帧频等参数设置，从而满足各种类型的LCD模块。LCD控制器用来传输视频数据VD[23：0]，同时产生相应的控制信号VSYNC、HSYNC、VDEN及LEND。VD[23：0]：RGB数据信号线，对于24bitTFT-LCD，R、G、B各占8位；而对于16bit TFT屏有两种方式：5:6:5及5:5:5+1，使用时需要注意要与相应TFT-LCD的信号相一致。

语谱图是一种强度图像，最常见的处理方式就是将其通过各种变换映射成对应的灰度级，然后以灰度图的方式显示出来。由于人眼对彩色的变化远比灰度的变化敏感得多，通常都要把灰度图像转化为真彩色图像进行显示，真彩色处理是图像增强和显示的一种常用方法。幅度谱转化为RGB的数据流，无符号数16比特的幅度谱经过非线性映射，转化为灰度图像的无符号数8比特灰度值，实质上是将65536灰度级的图像转化为256级灰度级的图像，然后以此灰度值作为调色板的索引值，去查找相应的R、G、B三个颜色分量的值。对于调色板的编码采用多种方式，如彩虹编码、热金属编码、JET编码，HOT编码、PINK工编码、GRAY编码等，可根据实际应用需要进行选择。

现有的基于FPGA的语谱分析仪，其制作成本高，FPGA性能浪费，没考虑噪声对语谱图的影响，语谱分析误差比较大。本实施例提供的语谱分析装置充分利用了ARM芯片的性能，能够实现对语音信号的采集存储、短时语谱分析、增强、幅度谱非线性映射和语谱图的显示等功能，装置具有结构简单、成本低、准确度高、开发周期短、系统更新方便，易于推广，便于携带的特点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (5)

1.一种基于ARM芯片的语谱分析装置，其特征在于，所述装置包括：A/D转换器、ARM芯片、数据缓存器和显示器，其中，

所述A/D转换器与数据缓存器连接，用于将语音信号转换为数字信号，并将所述数字信号发送给所述数据缓存器；

所述ARM芯片分别与所述数据缓存器和所述显示器连接，用于滤除所述数字信号的噪声得到语音增强信号，采用非线性映射变换得到与所述语音增强信号的幅度值对应的灰度值，并控制所述显示器按照设定指令显示所述灰度值。

2.根据权利要求1所述的语谱分析装置，其特征在于，所述A/D转换器为音频A/D转换芯片。

3.根据权利要求1所述的语谱分析装置，其特征在于，所述显示器为薄膜晶体管液晶显示器。

4.根据权利要求1所述的语谱分析装置，其特征在于，所述数据缓存器为SDRAM数据存储芯片。

5.根据权利要求1所述的语谱分析装置，其特征在于，所述语谱分析装置还包括FLASH芯片，所述FLASH芯片与所述ARM芯片连接。