[实用新型]一种基于FPGA的Mel倒谱分析合成仪

说明书

技术领域

本实用新型属于语音合成和嵌入式应用技术领域，涉及一种利用可编程片上系统（System On a Programmable Chip, SOPC）技术实现语音合成的综合器，具体涉及一种基于FPGA的Mel倒谱分析合成仪。

背景技术

语音分析合成方法是语音研究的重要方法。语音合成的研究已有多年的历史，现在研究的语音合成方法从技术上讲可分为波形合成法、规则合成法和参数合成法。波形合成法一般有两种形式：一种是波形编码合成法，直接把要合成的语音的发音波形进行存储或进行编码压缩后存储，合成重放时再解码组合输出；另一种是波形编辑合成法，把波形编辑技术用于语音合成，选择不同的合成基元，容易达到很高的合成质量；但波形合成法过于依赖大语料库。规则合成法是一种高级的合成方法，通过语音学规则产生语音，可以合成无限词汇的语句，但其合成算法相当复杂。参数合成法也称分析合成法，为了节约存储容量，必须先对语音信号进行分析，提取出语音参数，以压缩存储量，然后由人工控制这些参数的合成。参数合成法具有实现算法简单和数据容量小的优势。

目前已有的语音分析合成方法包括：1）线性预测合成方法，大部分语音编码算法都采用线性预测分析方法，提取了线性预测系数或等价参数。但是线性预测系数只能表示语音的短时谱，不能用来刻画谱零点较多的语音。2）正弦模型分析合成方法。正弦模型方法在语音信号处理领域中得到了广泛的应用，该模型的谐波噪声系数可以直接用来参数合成，而且适用于大幅度地修改时长和基因周期。但估计参数较多，优化算法比较复杂，求解过程不够稳定。3）Mel倒谱分析合成方法，根据语音的短时幅度谱，利用人耳听觉的非线性特点，计算得到的Mel倒谱系数（Mel Cepstral Coefficients, MCC）不仅能够反映频谱的极点，还能反映零点，而且能够合成出高质量的语音。但是在语音的分析合成过程中需要进行大运算量的处理计算，而这种处理计算目前只在普通PC机上进行，没有实现便携化和仪器化。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种基于FPGA的Mel倒谱分析合成仪，不仅能进行大数据量的处理计算，实现语音的分析合成，而且实现了便携化和仪器化。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于FPGA的Mel倒谱分析合成仪，包括FPGA芯片，FPGA芯片分别与LCD显示器、codec音频芯片、SD卡存储器、FLASH存储器、SRAM存储器和SDRAM存储器相连接； FPGA芯片包括Avalon交换架构，Avalon交换架构分别与LCD显示驱动器、通用I/O端口、音频控制器、SPI总线控制器、三态桥、SRAM控制器、SDRAM控制器和NIOSⅡ处理器软核相连接；NIOSⅡ处理器软核嵌有JTAG调试模块，LCD显示驱动器与LCD显示器相连接；通用I/O端口和音频控制器分别与音频芯片相连接；SPI总线控制器与SD卡存储器相连接；三态桥与FLASH控制器相接，FLASH控制器与FLASH存储器相接；SRAM控制器与SRAM存储器相连；SDRAM控制器与SDRAM存储器相连。

NIOS II软核处理器通过AVALON总线分别与SRAM控制器、SDRAM控制器、FLASH控制器、SPI总线控制器和PIO控制器相连。

NIOS II软核处理器包括依次相连接的语音数据缓存器、分帧和加窗模块、短时傅里叶变换模块、对数运算模块、逆傅里叶变换模块和Mel倒谱系数运算模块；语音数据缓存器和Mel倒谱系数运算模块分别与SPI总线控制器相连接。

本实用新型Mel倒谱分析合成仪在FPGA中实现NIOS II嵌入式软核处理器例化。 NIOS II软核处理器将存储在SD卡中的语音信号读入到SDRAM芯片中，对数据进行缓存，再将数据从SDRAM中读出，对读出的数据分帧和加海明窗。然后在嵌入式NIOS II处理器中对音频信号做短时傅立叶变换、对数运算、IFFT(逆傅立叶变换)，最后通过牛顿迭代法实现MCC的求解；利用MCC的值调节Mel倒谱逼近滤波器系数，使存储在SD卡中的语音激励源信号通过Mel对数谱逼近滤波器产生语音数据，通过音频芯片将数字音频信号转换成模拟语音信号输出。在进行大数据量的处理计算，实现语音分析合成的同时，实现了便携化和仪器化。

附图说明

图1是本实用新型Mel倒谱分析合成仪的结构示意图。

图2是本实用新型Mel倒谱分析仪中NIOSⅡ软核处理器的结构示意图。