系統(tǒng)硬件環(huán)境 - 基于DSP的高速實(shí)時(shí)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C6713。其時(shí)鐘頻率最高可達(dá)300 MHz，處理能力可以高達(dá)1 336 MIPS和1 000 MFLOPS。由于256 kB的片上RAM無(wú)法滿足多路信號(hào)處理時(shí)的空間需求，系統(tǒng)通過(guò)EMIF(External Memory Interface，外部存儲(chǔ)器接口)擴(kuò)展了32 MB的外部SDRAM，并采用EDMA(External Direct Memory Access，擴(kuò)展的直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))方式對(duì)這些外部空間進(jìn)行訪問(wèn)。

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　　TMS320C6713有2個(gè)McBSPs(Multi-channel Buff-ered Serial Port，多通道緩沖串口)，每個(gè)McBSP，可與多達(dá)128個(gè)通道進(jìn)行收發(fā)。本系統(tǒng)中采用McBSP0實(shí)現(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)到DSP的輸入，DSP進(jìn)行實(shí)時(shí)判別后輸出結(jié)果。

3 軟件實(shí)現(xiàn)

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

3.1 軟件流程

　　測(cè)試中采用10個(gè)參考模板，每個(gè)模板由相應(yīng)的參考語(yǔ)音中2 s的語(yǔ)音數(shù)據(jù)訓(xùn)練而成。識(shí)別策略為每路積累2 s的接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)后與逐個(gè)參考模板進(jìn)行匹配，如果經(jīng)由DTW運(yùn)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(guò)8 s匹配不上，就放棄。軟件流程框圖如圖5所示，其中語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采樣率為8 000 Hz，每幀取256個(gè)采樣點(diǎn)，即32 ms的數(shù)據(jù)為一幀。

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　　程序調(diào)試通過(guò)后，采用CCS對(duì)其實(shí)時(shí)性進(jìn)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(kuò)展了基本的代碼生成工具，集成了調(diào)試和實(shí)時(shí)分析功能。在CCS下，程序通過(guò)Wintech TDS510仿真器接到目標(biāo)板的JTAG口進(jìn)行硬件仿真測(cè)試。

　　測(cè)試發(fā)現(xiàn)1幀信號(hào)的處理時(shí)間為78 135 679個(gè)指令周期，即391 ms(TMS320C6713工作在200 MHz)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)時(shí)處理的要求，必須對(duì)其進(jìn)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(xiàng)、使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)、使用字訪問(wèn)短整型數(shù)據(jù)和使用軟件流水等方面對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化。具體實(shí)現(xiàn)中，采用-pm選項(xiàng)、-op3選項(xiàng)和-o3選項(xiàng)對(duì)程序進(jìn)行了重新編譯。展開內(nèi)層循環(huán)，并通過(guò)#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(shí)間從78 135 679個(gè)指令周期降到了50 364 683個(gè)指令周期，但是還是無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性的要求。

　　進(jìn)一步對(duì)代碼進(jìn)行測(cè)試分析，提取MFCC參數(shù)的過(guò)程中，256點(diǎn)的實(shí)數(shù)FFT運(yùn)算占用了大量的時(shí)間。TI公司針對(duì)C6000系列的DSP提供了豐富的庫(kù)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(jìn)行256點(diǎn)實(shí)數(shù)的FFT運(yùn)算，把提取MFCC的時(shí)間降為了0.72 ms。

　　由于采用10個(gè)參考模板，每路數(shù)據(jù)一次識(shí)別就要進(jìn)行10次DTW的運(yùn)算，所以如何減少DTW的運(yùn)算時(shí)間是優(yōu)化的重點(diǎn)。對(duì)DTW的優(yōu)化從兩方面進(jìn)行，首先采用查表法縮小匹配時(shí)搜索的區(qū)域。

　　由于DTW匹配的過(guò)程中限定了彎折的斜率，因此好多格點(diǎn)實(shí)際上是達(dá)不到的，如圖6所示。因此菱形之外的格點(diǎn)對(duì)應(yīng)的幀匹配距離是不需要計(jì)算的。在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，因?yàn)槊看味家? s和2 s的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，M和N都固定是64幀，所以可以建一個(gè)表格儲(chǔ)存菱形區(qū)域內(nèi)的測(cè)試幀號(hào)和參考幀號(hào)，匹配時(shí)只計(jì)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(yùn)算從40 960次減少到了19 460次。

　　在采用DTW快速算法后，還需進(jìn)行了19 460次歐氏距離的運(yùn)算。測(cè)試可得，每次運(yùn)算耗時(shí)1 524個(gè)指令周期，所以這部分的運(yùn)算仍是影響識(shí)別速度的關(guān)鍵。為了進(jìn)一步提高代碼的性能，把這段代碼改為線性匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　完成上述全部?jī)?yōu)化后，測(cè)試得到，處理一幀的時(shí)間為1 849 365個(gè)指令周期，其中TMS320C6713工作在200 MHz，即處理1幀的時(shí)間為1 849 365／200 000 000=9.25 ms，達(dá)到0.29倍實(shí)時(shí)。

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4 實(shí)驗(yàn)及小結(jié)

　　為了測(cè)試上述系統(tǒng)的識(shí)別性能，對(duì)其進(jìn)行了固定文本的說(shuō)話人辨識(shí)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，采用錄音設(shè)備錄制了10個(gè)人、3個(gè)不同時(shí)間所說(shuō)的同一句話，共30句，平均時(shí)間長(zhǎng)度為4.5 ms。從每個(gè)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(gè)人所說(shuō)的長(zhǎng)度接近但內(nèi)容不同的語(yǔ)音做測(cè)試語(yǔ)音。這樣模板庫(kù)中有10個(gè)模板，測(cè)試語(yǔ)音有50個(gè)。

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

　　本文通過(guò)對(duì)DTW算法的改進(jìn)，結(jié)合TMS320C6713的特點(diǎn)對(duì)C代碼進(jìn)行了優(yōu)化，在保證識(shí)別率的情況下，用TMS320C6713成功地實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信號(hào)的高速實(shí)時(shí)識(shí)別。