前言
本应用笔记说明了如何在STM32F101xx 和 STM32F103xx微控制器上利用编码解码器Speex软件实现语音合成器应用。
. }4 g" x* A/ ]3 u, dSpeex 是一款免费的音频编解码器，用于语音编码和解码。它能够对语音进行高度压缩同时保持良好音质。这让它成为那些使用留言回放或录音功能的应用的高性能解决方案，例如电话应答机、建筑和家庭安全系统、对讲机、智能家电、录音机或无绳电话等。
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1 Speex 编解码器概述
Speex 编解码器是一款开源的、取得专利并免版税的软件，用于语音压缩和解压缩。
. [, Z1 q1 q- d; tSpeex 基于 CELP（码激励线性预测），针对 2 至 44 kbps 比特率范围内的语音压缩而设计。
Speex 具有以下特点：
– 以相同的比特流进行窄带 （8 kHz）、宽带 （16 kHz）和超宽带 （32 kHz) 压缩
– 强度立体声编码
( v- Z* \( n: S' c8 ?- Q3 X8 d' {– 数据包丢失隐藏
8 _  I# d0 S, _! |  z– 可变比特率操作 （VBR） – 语音活动检测 （VAD） – 非连续传输 （DTX） – 定点端口
( a4 o0 @$ ~) B; E/ w$ j5 }* D– 回音消除器
1 \1 r9 b' u+ E% r) T– 噪声抑制
" K% B! T- U3 s. c0 H0 o8 r% rSpeex 具有很多其他编解码器所不具备的特点，例如可以进行强度立体声编码、在同一比特流中集成多种采样率以及具有 VBR 模式。


) d* v7 p& U2 ~2 语音合成器应用
' [2 `. R0 Q+ V2.1 语音合成器概述
8 q6 n2 D- \. O& O$ G语音合成器是一种语音处理应用，提供语音处理功能，如编码、解码、过滤和放大。
典型的语音合成器应用包括一个语音处理模块和音频输入 / 输出接口。
本应用笔记中， Speex 编解码器固件充当了语音处理模块，音频输入 / 输出接口则利用STM32F101xx 和 STM32F103xx 的内嵌资源 （ADC 作为输入， PWM 作为输出）集成。
STM32F101xx 和 STM32F103xx 微控制器系列产品具有 12 位分辨率的多通道 ADC 和 1 µs的转换时间，以及 16 位定时器并能产生 PWM。这些特点使其能够实现低成本且高性能的音频应用。
, U7 Z6 S  Y  v: N' B) C2.2 硬件说明
硬件由两个音频级组成：一个输入和一个输出，分别进行采集和播放语音 （请参看图 1）。
本应用笔记中，语音采集由微控制器的内部 ADC 实现，该 ADC 必须通过一个前置放大器连接到麦克风上。
3 L8 S  l7 P/ z+ c0 o语音合成由微控制器的内部定时器实现，该定时器为 PWM 模式。PWM 输出信号进行低通滤波，消除了高频分量，然后经过放大并发送到扬声器。


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此应用说明适用于 OLIMEX（OLIMEX 网址为 www.OLIMEX.com）的 STM32F103-STK 板。
6 ^# m/ U8 M# o* `' x: ?该板具有一个输入音频接口和一个输出音频接口，它们连接到两个插座上，而插座连接到耳机 （或扬声器）和麦克风 （参考图 2）。
应用于OLIMEX板上的装置为STM32F103RBT6，它具有128 KB的Flash和20 KB的RAM。
关于STM32F103-STK板的更多信息，请参考下面的网址：http://www.olimex.com/dev/stm32-103stk.html。
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2.3 Speex 编解码器实现
2.3.1 Speex 编解码器设置
在此应用笔记中， Speex 编解码器支持窄带语音信号 （8 kHz 采样），并实现改善 8 kbps 比特率的编码的作用。给定压缩比为 16:1。
. r' y& C( q* E+ d9 |+ ZSpeex 编解码器用一个 “ 质量 ” 的参数来控制比特率。该参数在编码设置中进行配置。
2 v" w9 X3 F- k, f$ r! ~2 g要将比特率设为 8 kbps，质量参数须等于 4。由于此处 Speex 具有恒定的比特率 （等于 8kbps），质量参数也必须保持不变。
在本实现模型中，质量参数为 4，编码器的复杂度只能设为一个小于等于 2 的值。实际上，复杂度值大于 2 会导致编码解码器占用额外的 CPU 循环，这与期望的质量水平并不相符。为了获得最佳品质，建议将复杂度设为小于等于 2 的值。

2.3.2 Speex 编解码器优化
" R: I4 S+ Z% z3 K0 k* h) I为了减少内存使用率并提高性能，Speex 编解码器进行了改进，保持 8 kbps 的恒定比特率且复杂度值小于等于 2 ，这样即可优化 STM32F101xx 和 STM32F103xx 微控制器资源。
/ V% T$ F% h; V: x) G) F' [+ I- x还移除了不使用模式的文件、结构和常数表，并且修改了一些函数以适应该实现模型。
) C8 L. j9 z1 ~- \$ _# Y另一方面，为了充分利用 ARM Cortex™-M3 核（thumb-2 指令集）的优势，下面的函数（需要占用大量 CPU 负载周期的函数）以汇编语言写成：
● filter_mem16
● fir_mem16
● iir_mem16
/ ]- o. s5 `5 z6 t● inner_prod
! K, i7 r. N' j* o+ L0 _● vq_nbest
在本应用笔记适用范围内， STM32F101xx 和 STM32F103xx 上的 Speex 编解码器实现利用
两种不同的工具链进行开发和验证：
● 面向 ARM （5.11 版本）的 IAR 嵌入式 Workbench
● Keil µVision3 RealView MDK-ARM （3.22 版本）
IAR EWARM 工具链利用 ARM IAR 汇编器开发汇编代码， Keil RVMDK 工具链则利用 ARM嵌入式汇编器进行开发。
所有改进和增加的文件，包括汇编代码，在固件包的 SpeexLib/stm32 目录中均有提供。
8 x1 i& t; Y! i" m; y& u: P注： 该实现可以很容易地经过调整而适应其他工具链 （编译器或汇编），如 GNU。
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+ A- R( l4 q6 P* \! X. `( \+ u完整版请查看：附件
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