3G手機(jī)語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用中DSP技術(shù)的選擇策略
2011/02/21
隨著DSP技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算能力更強(qiáng)、功耗更低和體積更小的DSP已經(jīng)出現(xiàn)，使3G手機(jī)上植入更精確更復(fù)雜的自動(dòng)語(yǔ)音識(shí)別(ASR)功能成為可能。目前，基本ASR應(yīng)用可以分成三大類(lèi)：
1. 語(yǔ)音-文本轉(zhuǎn)換(語(yǔ)音輸入)；
2. 講者識(shí)別；
3. 語(yǔ)音命令控制(語(yǔ)音控制)。
這三類(lèi)功能包含了3G所需的眾多ASR性能。語(yǔ)音-文本轉(zhuǎn)換的典型實(shí)例是語(yǔ)音撥號(hào)和電子郵件聽(tīng)寫(xiě)。講者識(shí)別功能可以通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別安全地讀出存儲(chǔ)器中的個(gè)人數(shù)據(jù)，從而滿足*定購(gòu)和銀行服務(wù)等保密性高的應(yīng)用需要。語(yǔ)音命令控制功能包括連接語(yǔ)音擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(VXML)網(wǎng)站內(nèi)容的語(yǔ)音接口，它支持財(cái)經(jīng)服務(wù)與目錄助理等業(yè)務(wù)。目前VXML被用于規(guī)范網(wǎng)站內(nèi)容的語(yǔ)音標(biāo)簽。
語(yǔ)音識(shí)別的兩種方法
3G手機(jī)的ASR應(yīng)用設(shè)計(jì)可分為兩類(lèi)，即以終端為中心和以客戶/服務(wù)器為中心的應(yīng)用。如圖1所示為以終端為中心的設(shè)計(jì)方法，3G手機(jī)(終端)執(zhí)行整個(gè)語(yǔ)音識(shí)別過(guò)程并送出識(shí)別結(jié)果。在圖2所示的客戶/服務(wù)器方法中，終端只是執(zhí)行預(yù)處理特征提取，然后通過(guò)一個(gè)誤碼受保護(hù)的數(shù)據(jù)信道將這些參數(shù)發(fā)送給中心服務(wù)器，中心服務(wù)器最終完成語(yǔ)音識(shí)別。如果采用以客戶/服務(wù)器為中心的設(shè)計(jì)方法，3G手機(jī)應(yīng)使用數(shù)據(jù)信道而非移動(dòng)信道來(lái)將語(yǔ)音發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別，因?yàn)橐苿?dòng)信道所用的低速率語(yǔ)音編碼會(huì)嚴(yán)重影響語(yǔ)音識(shí)別的性能。
各種ASR系統(tǒng)的差異主要體現(xiàn)在詞匯量上。一個(gè)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可能只需要16字的詞庫(kù)就能實(shí)現(xiàn)所要求的語(yǔ)音識(shí)別功能，而3G移動(dòng)手機(jī)則需要更大的專(zhuān)業(yè)詞庫(kù)。這些詞匯可以跟講者相關(guān)(訓(xùn)練語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備使之熟悉用戶的聲音特征)或跟講者無(wú)關(guān)(語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備可以識(shí)別任何人的聲音)，DSP的計(jì)算負(fù)荷就隨著詞匯量和訓(xùn)練數(shù)據(jù)的增加而增大。
例如，根據(jù)隱性馬爾可夫模型(HMM)可以分析一個(gè)典型的跟講者無(wú)關(guān)的100條命令識(shí)別的應(yīng)用實(shí)例。假設(shè)HMM模型從左到右沒(méi)有跳躍地順序擺放，共有6個(gè)狀態(tài)、5個(gè)具有對(duì)角協(xié)方差的混合高斯分布，包含39個(gè)特征(13嘜-頻率對(duì)數(shù)系數(shù)或MFCC，及其一階和二階差分)，具有16位精度，那么，HMM聲學(xué)模型的大小就是100×5×5×(39+2)×2=240kB。
為了實(shí)現(xiàn)輸入語(yǔ)音樣本差分、窗口截獲、MFCC抽取、概率計(jì)算和維特比搜索等運(yùn)算的實(shí)時(shí)性，典型情況下需要消耗DSP的1千萬(wàn)個(gè)乘法-累加周期(MMAC)。對(duì)于連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別來(lái)說(shuō)，上千個(gè)三音素模型和多種語(yǔ)法模型需要更多的存儲(chǔ)空間，也需要更快的DSP處理速度。
因此，移動(dòng)電話中ASR系統(tǒng)的成敗很大程度上取決于DSP的功能和設(shè)計(jì)。第三代系統(tǒng)本身就需要比第二代系統(tǒng)更強(qiáng)性能的DSP，而增加ASR功能就對(duì)DSP提出了更高的要求。從結(jié)構(gòu)角度看，對(duì)DSP性能的要求是處理速度快、功耗低和代碼密度高。
采用高速DSP是關(guān)鍵
由于系統(tǒng)要實(shí)時(shí)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行處理和取樣，因此語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)需要具有巨大的計(jì)算能力。下面的數(shù)字和計(jì)算假設(shè)采用的是圍繞終端的設(shè)計(jì)方法。如果將DSP計(jì)算資源的20%分配給一個(gè)10MMAC的語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)使用，那么就需要一個(gè)具有50MMAC的DSP才能滿足這一功能需要，并可提供足夠的空間執(zhí)行3G手機(jī)所需的其它DSP任務(wù)，如處理軟貓。如果采用較慢的DSP，如25MMAC的DSP，那么詞匯表中的命令數(shù)量就要減半，或減少HMM參數(shù)，這樣會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)性能。
DSP的速度決定了語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)的復(fù)雜性和性能。舉例來(lái)說(shuō)，如果一個(gè)基本的跟講者無(wú)關(guān)的連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)需要100MMAC，DSP計(jì)算資源的50%用于滿足3G手機(jī)的其它DSP任務(wù)的需求，那么DSP的處理速度就需要達(dá)到200MMAC。
成本、性能和效率的折衷
DSP的速度越快，就越便于利用現(xiàn)代的HMM技術(shù)，如信道匹配和聲域匹配技術(shù)，因此，理論上講，DSP速度越快，ASR系統(tǒng)的性能就越好。然而，并行處理方法在提高ASR系統(tǒng)吞吐量中也扮演著重要角色。例如，一個(gè)具有4 ALU(算術(shù)邏輯單元)的200MHz DSP比只有1 ALU但運(yùn)行于400MHz的DSP具有更高的吞吐量。根據(jù)具體應(yīng)用的不同，2到3個(gè)單ALU DSP提供的性能與一個(gè)具有4 ALU的DSP相仿。相對(duì)一個(gè)具有4 ALU的DSP處理器方案來(lái)說(shuō)，多個(gè)單ALU的DSP會(huì)提高手機(jī)的成本，因此對(duì)于適銷(xiāo)對(duì)路產(chǎn)品要充分權(quán)衡成本與性能之間的折衷。
總之，當(dāng)比較一個(gè)600MHz的單ALU DSP和一個(gè)300MHz但有4 ALU的DSP時(shí)，設(shè)計(jì)工程師始終應(yīng)把握的最終目標(biāo)是高效的運(yùn)算吞吐量，具有多個(gè)ALU的DSP也許是最好的解決方案。
性能與功耗
頂級(jí)性能的DSP采用并行結(jié)構(gòu)來(lái)獲得最佳的性能空間。有個(gè)著名的平衡型并行結(jié)構(gòu)StarCore SC140就采用了指令級(jí)并行結(jié)構(gòu)，它具有4個(gè)并行ALU以及一個(gè)稱(chēng)為變長(zhǎng)執(zhí)行集(VLES)的改進(jìn)型甚長(zhǎng)指令字模型。VLES的優(yōu)點(diǎn)在于它支持在內(nèi)存中完成高效的指令調(diào)度、執(zhí)行和打包。它能通過(guò)一個(gè)指令隊(duì)列對(duì)前端提供反饋，并通過(guò)調(diào)度器控制后端，因此除非需要執(zhí)行計(jì)算，VLES處理一般不消耗功率。
在并行VLES結(jié)構(gòu)中，一些特殊指令需要成組以避免空操作(Nop)，由于減少了時(shí)鐘周期，處理時(shí)間也相應(yīng)減少了。比較而言，在甚長(zhǎng)指令字計(jì)算中，所有執(zhí)行步驟都必須按順序排列，因此在一個(gè)8字節(jié)的執(zhí)行集甚至是1字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)就需要7個(gè)占位符(placeholder)或Nop。
由于VLES結(jié)構(gòu)不需要Nop，VLES設(shè)計(jì)中的復(fù)雜性從硬件或編程器轉(zhuǎn)移到了編譯器。由于每個(gè)周期都充滿了數(shù)據(jù)，因此每個(gè)周期就具有更高的效率，從而也提高了電源與內(nèi)存的使用效率。
電源管理
由于ASR系統(tǒng)需要連續(xù)處理語(yǔ)音數(shù)據(jù)，會(huì)使DSP成為消耗電能的主要部件，因此高效利用電源對(duì)設(shè)備成功走向市場(chǎng)至關(guān)重要。
在高性能DSP中，選擇16位指令集而非32位指令集能提高代碼密度，進(jìn)一步減少對(duì)內(nèi)存、功耗和體積的需求，一部分原因是由于更短的16位指令集可以減少寄存器和數(shù)據(jù)線數(shù)量。例如在ASR應(yīng)用中，存儲(chǔ)的詞匯量可能達(dá)到2.5MB(對(duì)于1024簇的三音素狀態(tài)，5個(gè)合成和39個(gè)參數(shù)來(lái)說(shuō)，聲學(xué)HMM狀態(tài)模型是400KB；一本有1萬(wàn)個(gè)三態(tài)三音素代碼本是60KB；三音素狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣是500KB；一個(gè)具有40個(gè)雜亂態(tài)2萬(wàn)字的雙字母組是1.6MB)。如果DSP具有高的代碼密度，能為ASR系統(tǒng)提供固定數(shù)量的存儲(chǔ)器，那么就可以獲得更好更大的聲學(xué)和語(yǔ)言模型。
片上和片外存儲(chǔ)器
對(duì)于ASR系統(tǒng)中使用的DSP來(lái)說(shuō)，有效地利用片上和片外存儲(chǔ)器是另外一個(gè)重要的課題。由于ASR系統(tǒng)需要大量的存儲(chǔ)空間用于詞匯與模式識(shí)別數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，一個(gè)靈活的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在這里將顯得特別重要。例如，一個(gè)具備統(tǒng)一尋址存儲(chǔ)器的DSP能使設(shè)計(jì)工程師很好地平衡程序和數(shù)據(jù)，還能平衡系統(tǒng)算法的復(fù)雜性與聲學(xué)和語(yǔ)言模型的大小以獲得最優(yōu)化的性能。
例如，如果具有100條命令的識(shí)別系統(tǒng)模型只有100kB的片上系統(tǒng)內(nèi)存，總共內(nèi)存空間需求是240kB，那么采用二次識(shí)別方法能更有效地利用片上快速存儲(chǔ)器。
第一次(原始識(shí)別階段)只使用39個(gè)參數(shù)中的13個(gè)MFCC，因此模型大小為80kB，可以載入片上內(nèi)存。原始識(shí)別階段的候選命令數(shù)量要比原來(lái)的100個(gè)少，比方說(shuō)是33個(gè)命令，但可信度高達(dá)99.9%。
第二次(精確識(shí)別階段)把33個(gè)候選命令的39個(gè)參數(shù)作為模型使用，大小是80kB，因此又可以把該模型裝載入片上內(nèi)存。這種二次識(shí)別方法會(huì)引入一些延時(shí)，但延時(shí)非常小，大約只有10ms，說(shuō)話人一般不會(huì)覺(jué)察到。
統(tǒng)一尋址存儲(chǔ)器能夠支持較大的詞匯庫(kù)或命令集，還能支持較大的HMM模型或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系數(shù)，因此能簡(jiǎn)單化實(shí)時(shí)任務(wù)。例如為ASR系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備100kB的存儲(chǔ)器，設(shè)計(jì)工程師就能平衡好算法復(fù)雜性與詞匯量或命令集大小之間的關(guān)系。如果程序要占50kB，那么數(shù)據(jù)只能是50kB。如果允許降低識(shí)別精度而將程序代碼壓縮到20kB，那么命令集就能用到80kB，也就是增加了詞匯庫(kù)容量。
在ASR系統(tǒng)中，高度并行化、高代碼密度和有效利用存儲(chǔ)器等優(yōu)點(diǎn)還能使DSP完成語(yǔ)音識(shí)別以外的任務(wù)。在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)工程師可以將部分計(jì)算資源分配給語(yǔ)音識(shí)別之用，而將剩余資源用來(lái)執(zhí)行信道處理系統(tǒng)中所需的其它任務(wù)。
在選中最優(yōu)化的DSP后，要想獲得高性能的ASR用系統(tǒng)級(jí)芯片還需要增加一些功能，例如快速緩存或快速指令/數(shù)據(jù)存取以及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)才能使ASR系統(tǒng)真正完成實(shí)時(shí)性能。多任務(wù)RTOS能使系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用如雙通道語(yǔ)音識(shí)別，因此能極大地提高系統(tǒng)性能。
復(fù)雜SoC應(yīng)用(如信道處理系統(tǒng))設(shè)計(jì)工程師能從使用高效的高級(jí)語(yǔ)言編譯器的DSP和SoC中獲益，因?yàn)檫@些編譯器允許設(shè)計(jì)工程師使用C或C++語(yǔ)言進(jìn)行編程。采用增強(qiáng)的片上仿真和調(diào)試功能還可以進(jìn)一步縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。對(duì)于3G移動(dòng)手機(jī)應(yīng)用中各層次的元器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，除了實(shí)時(shí)性能和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程外，功率管理控制同樣非常重要。在設(shè)計(jì)SoC時(shí)，選擇具有可調(diào)功率功能的內(nèi)核將獲益非淺。例如當(dāng)移動(dòng)用戶在說(shuō)話時(shí)，DSP需要全速運(yùn)行(如300MHz)。當(dāng)未使用ASR功能時(shí)，SoC電源管理電路可以逐步降低到較低的時(shí)鐘速度(如100MHz)，從而有效地降低漏電和功耗。
由于ASR系統(tǒng)對(duì)計(jì)算速度的需求會(huì)根據(jù)識(shí)別特征的差異產(chǎn)生很大變化，例如孤字識(shí)別或連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別、詞匯量和跟講者無(wú)關(guān)的語(yǔ)音識(shí)別等，因此，能支持ASR功能的信道處理系統(tǒng)的復(fù)雜性變化也很大。
SoC非常適合于構(gòu)造芯片的基礎(chǔ)架構(gòu)，因此在以客戶/服務(wù)器系統(tǒng)為中心的設(shè)計(jì)中是非常理想的選擇，但SoC器件由于功能太強(qiáng)大，因此并不非常適合于用戶端以終端為中心的設(shè)計(jì)。然而，隨著ASR系統(tǒng)的逐漸成熟以及3G手機(jī)支持越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用和復(fù)雜ASR，這類(lèi)功能強(qiáng)大的SoC也能成功地運(yùn)用到用戶端。
在SoC上使用多個(gè)DSP能使系統(tǒng)在完成語(yǔ)音識(shí)別的同時(shí)更容易地執(zhí)行其它任務(wù)。例如三個(gè)內(nèi)核中的一個(gè)可以專(zhuān)門(mén)指定用來(lái)完成多信道的服務(wù)器端ASR，而其它二個(gè)內(nèi)核用于執(zhí)行像語(yǔ)音信道和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理這樣的任務(wù)。將來(lái)如果手機(jī)鍵盤(pán)不復(fù)存在的話，ASR將成為用戶與手機(jī)之間的唯一接口，到時(shí)這一功能將占用大部分的工作時(shí)間。
采用多個(gè)DSP內(nèi)核還能提供強(qiáng)大的計(jì)算能力，從而使執(zhí)行非常復(fù)雜的ASR任務(wù)成為可能，如電子郵件聽(tīng)寫(xiě)中的連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別、安全交易和VXML中的“口令+講者驗(yàn)證”等。多個(gè)DSP再加上統(tǒng)一的大型片上存儲(chǔ)器可以極大地縮短跟講者無(wú)關(guān)的訓(xùn)練過(guò)程，因?yàn)樵诮y(tǒng)計(jì)型ASR中訓(xùn)練過(guò)程的計(jì)算負(fù)載比識(shí)別處理過(guò)程的負(fù)載重得多。
本文小結(jié)
盡管3G手機(jī)要想贏得市場(chǎng)，人們對(duì)其功能和設(shè)計(jì)仍將拭目以待，但這些系統(tǒng)需要高性能的信號(hào)處理平臺(tái)以滿足多媒體任務(wù)需求是不容置疑的，而隨著ASR系統(tǒng)的不斷普及，3G手機(jī)肯定需要具備運(yùn)行多任務(wù)能力的多DSP SoC作為解決方案。
電子工程世界
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