DSP設(shè)計(jì)的數(shù)字音頻信號(hào)處理

趙亞超

摘要：我國已經(jīng)快速進(jìn)入現(xiàn)代化發(fā)展階段，很多先進(jìn)的科研技術(shù)運(yùn)用到行業(yè)發(fā)展中，使其發(fā)展更為迅速。數(shù)字音頻已經(jīng)具有很長的發(fā)展歷史，在1937年就已經(jīng)發(fā)明出了PCM，此技術(shù)也為后續(xù)的數(shù)字音頻信號(hào)處理技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。雖然在早起已經(jīng)具有了一定的基礎(chǔ)，但是數(shù)字音頻處理技術(shù)的發(fā)展仍然會(huì)受到多方面的影響，所以在后續(xù)的幾十年內(nèi)都未能得到實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，而是隨著其它相關(guān)的技術(shù)發(fā)展而緩慢前行。關(guān)鍵詞：DSP設(shè)計(jì)；數(shù)字音頻信號(hào)處理 引言我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)自改革開放發(fā)展至今已經(jīng)取得了非常不錯(cuò)的成就。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，許多場(chǎng)合所使用的音頻設(shè)備都由數(shù)字化音頻處理技術(shù)代替了模擬音頻技術(shù)，數(shù)字化音頻處理技術(shù)主要是通過數(shù)字濾波算法對(duì)所收集到的信號(hào)進(jìn)行處理與變化來實(shí)現(xiàn)的。運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)必然會(huì)涉及許多復(fù)雜的數(shù)字運(yùn)算，而DSP數(shù)字運(yùn)算處理器的出現(xiàn)正好符合此要求，DSP芯片能夠快速實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換與處理計(jì)算任務(wù)。1 DSP技術(shù)及其發(fā)展研究分析數(shù)字信號(hào)處理DSP是一門涉及到多學(xué)科的技術(shù)，它主要是通過利用計(jì)算機(jī)或者專業(yè)設(shè)備，對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集、加工、濾波及處理等操作，最終得到人們所需要的數(shù)字化信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理在計(jì)算過程中需要專業(yè)的設(shè)備和專用的集成電路，具有靈活、精準(zhǔn)、尺寸小以及抗干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，這些都是模擬信號(hào)處理無法代替的。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，所具有的功能將會(huì)變得越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)有許多二代智能家電開始運(yùn)用DSP來進(jìn)行控制。系統(tǒng)集成DSP是潮流，小型化的DSP芯片始終是DSP技術(shù)發(fā)展的重要方向。現(xiàn)階段各個(gè)DSP廠家都開始使用新工藝，改進(jìn)DSP芯片的內(nèi)部核心，并將其它幾個(gè)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一起。其次為了滿足客戶對(duì)音頻處理系統(tǒng)的使用需求，DSP技術(shù)應(yīng)不斷追求更高的運(yùn)算速度與降低能耗，內(nèi)核所擁有的結(jié)構(gòu)也應(yīng)進(jìn)一步完善。雖然它已經(jīng)應(yīng)用到音頻處理系統(tǒng)之中，但是人們的要求也越來越高，所以它的必須提高DSP的運(yùn)行處理速度以及降低運(yùn)行工號(hào)。DSP的結(jié)構(gòu)主要是針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用，目前雖然DSP所擁有的功能越來越強(qiáng)大，但是銷售價(jià)格卻在逐年降低，DSP的接口也趨于標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，在音頻處理系統(tǒng)中應(yīng)用DSP技術(shù)將必然使其具有強(qiáng)大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。2 數(shù)字信號(hào)處理DSP概述數(shù)字信號(hào)處理DSP是一門涉及多學(xué)科的新型學(xué)科，它隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展也得到了很大的發(fā)展。在過去十幾年里，數(shù)字信號(hào)處理DSP已經(jīng)逐漸成為通信行業(yè)中一項(xiàng)極其重要的技術(shù)。數(shù)字信號(hào)處理DSP主要是通過計(jì)算機(jī)或者專業(yè)化的工具，以數(shù)字化的方式完成信號(hào)的手機(jī)、轉(zhuǎn)換、識(shí)別等任務(wù)，最終得到所需要的數(shù)字信號(hào)。DSP數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)主要是以數(shù)字信號(hào)處理的理論、實(shí)現(xiàn)及運(yùn)用為基礎(chǔ)發(fā)展而來，理論上的發(fā)展促進(jìn)了技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及應(yīng)用，而應(yīng)用反過來有促進(jìn)了理論的提高。數(shù)字信號(hào)處理DSP涉及到許多領(lǐng)域，如數(shù)學(xué)、微積分、概率等都是以數(shù)字信號(hào)處理DSP技術(shù)作為基礎(chǔ)工具，而音頻信號(hào)處理也與之密切相關(guān)。3 重采樣檢測(cè)如果由于某種篡改目的需要將兩段采樣率不同的音頻進(jìn)行拼接，這就必然需要進(jìn)行重采樣，重采樣包含三個(gè)步驟：上采樣、插值、下采樣。不論采用何種插值方式在原來信號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行插值，都會(huì)留下可以檢測(cè)的痕跡。現(xiàn)有的重采樣檢測(cè)方法大致分為三類。（1）通過分析插值操作所引起的信號(hào)點(diǎn)之間的線性相關(guān)關(guān)系的改變進(jìn)行重采樣檢測(cè)。首先提出，進(jìn)行了線性插值的信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)周期性的鄰域線性相關(guān)性，通過期望最大化（EM）算法來檢測(cè)這些周期性信息判斷信號(hào)是否經(jīng)過重采樣。在此基礎(chǔ)上，在EM算法檢測(cè)流程中采取了一系列措施改進(jìn)了檢測(cè)效果。提高了EM算法對(duì)不同插值方式的可檢測(cè)性。針對(duì)EM算法運(yùn)算復(fù)雜度高，使用奇異值分解來反映信號(hào)經(jīng)過重采樣之后樣本點(diǎn)之間線性相關(guān)性的變化，以此來構(gòu)造特征向量，定位插值篡改區(qū)域。（2）通過檢測(cè)插值操作所引起的插值信號(hào)二階差分的周期性特征進(jìn)行重采樣檢測(cè)。首先指出重采樣圖像會(huì)呈現(xiàn)出周期性的鄰域相關(guān)。在圖像重采樣領(lǐng)域研究的啟發(fā)，對(duì)重采樣的音頻信號(hào)做二階差分，發(fā)現(xiàn)其零值的出現(xiàn)具有周期性，基于這個(gè)特性提出重采樣檢測(cè)算法，另外用絕對(duì)值的處理方式代替方差處理同樣也具有周期性，并提出自動(dòng)檢測(cè)框架，該方法對(duì)不同插值方式具有魯棒性。但是沒有驗(yàn)證所提出的多階差分對(duì)音頻插值操作的檢測(cè)效果。（3）通過分析重采樣過程中信號(hào)經(jīng)過低通濾波器所造成的信號(hào)高頻部分信息損失的現(xiàn)象進(jìn)行音頻重采樣檢測(cè)。只能檢測(cè)線性插值的情況，根據(jù)重采樣中出現(xiàn)的高頻部分信息缺失的情況，依據(jù)子帶譜不同頻段的波動(dòng)程度構(gòu)造特征量—子帶譜平滑度，提出基于該特征的音頻重采樣檢測(cè)算法。4 數(shù)字音頻處理系統(tǒng)分析4.1輸入與輸出為模擬量的數(shù)字音頻系統(tǒng)分析輸入與輸入為模擬量的數(shù)字音頻系統(tǒng)，錄音機(jī)以及收音機(jī)都可以作為模擬信號(hào)進(jìn)行輸入，其它類型的模擬信號(hào)也可以，當(dāng)模擬信號(hào)通過ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器后會(huì)處理生成數(shù)字信號(hào)，之后再進(jìn)入DAP數(shù)字音頻處理設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行濾波及音量等控制操作，若DAP所選用的為DSP芯片，那么可以處理相應(yīng)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的各種音頻格式。處理后的數(shù)字音頻信號(hào)再經(jīng)過DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為模擬量，最后輸送至揚(yáng)聲器。4.2系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)基于DSP的音頻處理系統(tǒng)可以采用TI公司所推出的DSP編程開發(fā)環(huán)境。其次DSP軟件部分需要用到串行口中斷以及定時(shí)器中斷的方式，同時(shí)在中斷向量表中說明中斷發(fā)生時(shí)如何進(jìn)入到中斷程序。TLV320AIC23內(nèi)部具有十幾個(gè)可編程控制寄存器，之后可以通過不同方式的設(shè)置，對(duì)DSP芯片的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)通過麥克風(fēng)收集到相應(yīng)的語音信號(hào)時(shí)，經(jīng)過數(shù)字濾波處理后將由耳機(jī)輸出，再通過FIR數(shù)字濾波子程序?qū)ζ溥M(jìn)行處理。4.3AMR和AAC重壓縮檢測(cè)檢測(cè)AMR雙壓縮歷史的算法，提取了AMR音頻文件的能量分布和頻率相關(guān)性的統(tǒng)計(jì)特征，使用SVM作為分類器對(duì)單壓縮和雙壓縮AMR文件進(jìn)行分類。一種利用深度學(xué)習(xí)方法來檢測(cè)AMR音頻雙壓縮的算法。該算法將AMR文件解碼后得到的PCM片段歸一化，然后直接輸入到堆棧式自動(dòng)編碼器中進(jìn)行分類，文中采用了投票策略提高分類的準(zhǔn)確率。在對(duì)解壓后的AMR文件進(jìn)行分析，指出解壓后的AMR波形相比于普通波形樣本重復(fù)率高出了許多，故將樣本重復(fù)率作為特征識(shí)別經(jīng)過AMR壓縮過的音頻。對(duì)AAC壓縮音頻的比例因子變化特性進(jìn)行分析，根據(jù)比例因子轉(zhuǎn)移概率差值統(tǒng)計(jì)特征對(duì)不同壓縮次數(shù)的AAC音頻進(jìn)行分類。根據(jù)AAC音頻對(duì)Huffman碼表使用的特點(diǎn)，對(duì)碼表構(gòu)建統(tǒng)計(jì)特征，區(qū)分單雙壓縮AAC音頻。綜合上述算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大多數(shù)的方法在處理由低比特率轉(zhuǎn)化為高比特率或者同比特率轉(zhuǎn)化的篡改文件時(shí)的檢測(cè)效率較低。基于模式識(shí)別思想的方法中對(duì)多種比特率文件存在的情況下魯棒性有待驗(yàn)證。另外必須指出的是，音頻歷經(jīng)雙重壓縮，并不代表該音頻一定被篡改過，普通的音頻也會(huì)由于某些原因重新壓縮甚至多次壓縮。結(jié)語綜上所述，數(shù)字信號(hào)處理DSP是開展數(shù)字音頻處理的基礎(chǔ)，DSP技術(shù)對(duì)于數(shù)字音頻處理而言具有著重要的意義。因此應(yīng)相關(guān)工作人員應(yīng)積極研究數(shù)字信號(hào)處理DSP技術(shù)，并將其應(yīng)用于數(shù)字音頻處理過程之中，充分發(fā)揮出DSP所具有的優(yōu)勢(shì)，讓人們能夠獲得更好的音頻產(chǎn)品，進(jìn)而滿足人們對(duì)音頻產(chǎn)品的實(shí)際需求。參考文獻(xiàn)[1]夏海旻.基于DSP的數(shù)字音頻處理器的設(shè)計(jì)[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2016（09）：4445.[2]王劍飛，程耀瑜.基于DSP的多路音頻信號(hào)采集與處理設(shè)計(jì)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2013，28（04）：72-75.[3]周紅鷗.基于DSP的音頻信號(hào)采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西南民族大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，37（S1）：100-103.