基于DSP的语音识别系统设计

摘要

人类交流的工具有很多种,最直接和最实用的是语言。语音识别包括将语音中的有用信息转换为机器语言。近年来,语音识别研究在许多高技术领域得到了发展,其实际应用范围扩大到工业控制、移动通信和消费类产品。在这种情况下,本文研究了语音识别算法,对比当前更主流的动态时间规整技术算法(DTW)和隐马尔可夫模型(HMM)。对传统的DTW算法提出了改进措施来减小算量。提供了MATLAB模拟仿真。最后,设计了DSP芯片TMS320VC5509A为中央处理单元,DTW算法为识别算法的小词汇量、孤立词语音识别系统。本论文首先介绍了课题的背景和意义,回顾了国内外语音识别发展史,介绍和分析了当前的研究状况以及当前的困难和问题。在此基础上,开展了关于这一主题的研究。其次,文章介绍了语音识别的理论知识,包括基本理论、识别工作过程,包括语音信号预处理步骤、端点检测、特征检索步骤、模板训练和识别。其中,关于特征参数,最终采用了美尔频率倒谱系数(MFCC)作为系统特征参数,并对一些常用特征参数进行分析比较。关于识别算法,研究比较了DTW算法和HMM算法,并提出了改进传统DTW算法的缺陷的措施,减少了计算量。利用MATLAB对系统所有环节使用的算法进行了模拟,并检查了算法的有效性,设计了模拟实验来比较DTW算法和HMM算法的利弊。考虑到系统的要求及其适应性,选择了DTW算法作为系统识别算法。在硬件方面,用TI公司TMS320VC5509A DSP作为中央处理单元建立了一个孤立词语音识别系统,并为包括音频获取模块、CPLD逻辑控制模块、电源模块、外部存储器模块、JTAG调试模块以及时钟和复位电路在内的不同模块设计了电路。关于软件,系统软件是根据系统的要求设计的,并描述了系统硬件模块的初始化过程以及主要的识别算法,并附有相应的流程图。最后,对该系统的性能和试验结果进行了测试。对实验结果的分析表明,该系统在语音识别孤立词和小词汇方面取得了良好的效果。

目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 项目背景及意义

1.2 国外研究的历史与现状

1.3 国内研究的历史与现状

1.4 语音识别技术中的几个问题

2 语音识别的理论知识

2.1 语音信号的预处理

2.1.1 语音信号的采样

2.1.2 语音信号的预加重

2.1.3 语音信号的加窗和分帧

2.2 语音信号的端点检测

2.2.1 基于短时平均能量

2.2.2 基于短时平均过零率

2.2.3 双门限比较法

2.3 特征参数提取

2.3.1 线性预测系数(LPC)

2.3.2 LP倒谱系数(LPCC)

2.3.3 Mel频率倒谱系数(LPCC)

2.4 语音识别算法概述

2.5 动态时间规整(DTW)

2.5.1 模板匹配

2.5.2 DTW算法的原理

2.6 隐马尔科夫模型(HMM)

2.6.1 HMM的定义

2.6.2 HMM的数学描述

2.6.3 HMM在语音识别中的运用

2.6.4 HMM的三个基本问题

2.7 DTW算法和HMM算法的对比分析

2.8 改进的DTW算法

2.9 本章小结

3 语音识别算法仿真

3.1 语音预处理

3.1.1 预加重

3.1.2 窗函数的选择和分帧

3.2 端点检测算法仿真

3.2.1 短时平均能量

3.2.2 短时平均过零率

3.2.3 双门限法端点检测

3.3 特征参数提取仿真

3.3.1 线性预测系数(LPC)和LPC倒谱系数(LPCC)

3.3.2 Mel频率倒谱系数(MFCC)

3.4 DTW算法的仿真实现

3.4.1 DTW传统算法的仿真实现

3.4.2 改进的DTW算法的仿真实现

3.4.3 DTW算法的模板训练

3.4.4 DTW算法的匹配仿真

3.5 HMM算法的仿真实现

3.5.0 HMM模型的初始化

3.5.1 HMM模型的训练

3.5.2 HMM算法的识别

3.5.3 HMM算法的识别仿真实现

3.6 DTW算法和HMM算法的对比

3.7 本章小结

4 语音识别系统硬件结构

4.1 系统硬件总体结构框架

4.2 TMS320VC5509A芯片简介

4.3 音频采集模块

4.3.1 语音采集芯片TLV320AIC23 芯片简介

4.3.2 TLV320AIC23和DSP的接口设计

4.4 电源模块电路设计

4.5 外部存储器模块

4.5.1 FLASH和 DSP的接口设计

4.6 CPLD模块

4.7 数据采集与传送模块

4.8 其它模块设计

4.8.1 JTAG调试模块

4.8.2 时钟电路设计

4.8.3 复位电路设计

4.9 本章小结

5 语音识别系统软件设计及DSP实现

5.1 DSP集成开发环境CCS

5.1.1 CCS概述

5.1.2 基于CCS3.3的软件开发流程

5.2 DSP软件设计

5.2.1 编程语言选择

5.2.2 定点DSP的浮点运算

5.2.3 识别部分软件设计

5.3 系统测试及结果分析

5.4 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文工作总结

6.2 不足和展望

参考文献

致谢