G.729A語音編碼TMS320VC5416 DSP實(shí)時實(shí)現(xiàn)

概述

    近二十年來，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展帶動相關(guān)的軟件、硬件設(shè)計達(dá)到新的水平，使得很多比較復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法可以實(shí)時實(shí)現(xiàn)并且得到廣泛應(yīng)用。突出的代表就是數(shù)字信號處理器（DSP）與語音信號壓縮編碼算法相結(jié)合，并且在日常通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，例如數(shù)字移動電話、IP電話等。隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展、微處理器和信號處理專用芯片的發(fā)展，也為語音處理技術(shù)的應(yīng)用提供了更加廣闊的平臺。所有這些因素都促進(jìn)了對更加有效、可靠、高質(zhì)量的語音編碼系統(tǒng)的需要，從而促進(jìn)了語音編碼技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。在最近一些年內(nèi)，語音壓縮編碼技術(shù)有了很大的發(fā)展。最早的標(biāo)準(zhǔn)化語音編碼標(biāo)準(zhǔn)是70年代CCITT公布的G.711 64kb/s脈沖編碼調(diào)制PCM。此后ITU又先后公布了G.721 32kb/s自適應(yīng)差分編碼（ADPCM）、G.728 16kb/s短延時碼本激勵線性預(yù)測編碼（LD-CELP）。此外還有一些政府和組織制定的語音標(biāo)準(zhǔn)，例如用于西歐數(shù)字移動通信的13kb/s具有長時預(yù)測規(guī)則碼激勵（RPE-LPT）的線性預(yù)測方案，北美數(shù)字移動通信標(biāo)準(zhǔn)8kb/s矢量和激勵線性預(yù)測（VSELP）方案等。1999年歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（ETSI）推出了基于碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）的第三代移動通信語音編碼標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)多速率語音編碼器（AMR），其中最低速率為4.75kb/s，達(dá)到通信質(zhì)量。1995年ITU公布G.723.1，編碼算法有兩種，5.3kb/s的ACELP和6.3kb/s的MP－MLQ算法，主要用于IP電話。1996年ITU公布了G.728 8kb/s的CS－ACELP算法，可以用于IP電話、衛(wèi)星通信、語音存儲等多個領(lǐng)域。目前，ITU正在致力于制定4kb/s的語音編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，該算法將達(dá)到長途質(zhì)量。針對一些特殊應(yīng)用，如保密通信、軍用通信、應(yīng)急通信等，許多國際組織、國家也研制了各種不同速率的語音壓縮編碼速率，例如美國政府為保密通信用開發(fā)的2.4和1.2kb/s MELP算法。我國近幾年也研制了0.6、1.2、2.4kb/s及其它速率語音壓縮編碼算法，達(dá)到并且超過了國外同速率編碼的質(zhì)量。

    DSP在近20年內(nèi)一直在高速發(fā)展，運(yùn)算能力不斷提高，片上資源和接口更加豐富，而單位運(yùn)算所需功耗不斷降低。下面給出幾個主要廠家的DSP產(chǎn)品。

TI的DSP主要有四大系列：

C5000系列（定點(diǎn)，低功耗）：適合

個人與便攜上網(wǎng)及無線通信應(yīng)用。80－400MIPS。

C2000系列（定點(diǎn)，控制器）：針對
控制進(jìn)行優(yōu)化的DSP。

C6000系列（高性能）：適合寬帶
網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字影像應(yīng)用。

OMAP系列（雙核芯片）：適合低
功耗移動設(shè)備和多媒體PDA。

ADI的DSP主要有四大系列：

21xx系列：16定點(diǎn)DSP，內(nèi)部REM
大，外圍接口多，適合作為控制類芯片使用。

SHARC系列：32位浮點(diǎn)DSP，21160 21161提供與大內(nèi)存容量結(jié)合的簡單浮點(diǎn)算法，具有高水平的浮點(diǎn)性能。

TigerSHARC系列：比SHARC具
有更高的浮點(diǎn)運(yùn)算功能TS101，TS201

Blackfin系列：高性能16位DSP
信號處理與通用微控制器易使用的性能結(jié)合。

Motolora的DSP：

DSP56800,16BIT定點(diǎn)DSP，通用型DSP。

DSP563XX,24bit定點(diǎn)DSP, 通用型DSP。

    本文將介紹使用TI公司C5000系列實(shí)現(xiàn)ITU-T G.729A 8kb/s CS-ACELP語音壓縮編碼算法，并對TI公司的TMS320C54x系列DSPITU-T G.729A語音編碼算法做簡單介紹，以及軟件編程、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

圖1 C54xDSP結(jié)構(gòu)框圖（略）


TMS320 C54x系列DSP芯片簡介及硬件設(shè)計

    TMS320 C54x系列DSP芯片是使用靜態(tài)CMOS技術(shù)制造的。其方框圖見圖1，從圖中可以看出C54x系列DSP芯片具有以下功能單元：

總線

C54x共有八條總線分別是：

PB： 程序讀取總線
CB： 數(shù)據(jù)讀取總線1
DB： 數(shù)據(jù)讀取總線2
EB： 數(shù)據(jù)寫入總線
PAB： 程序讀取地址總線
CAB： 數(shù)據(jù)讀取地址總線1
DAB： 數(shù)據(jù)讀取地址總線2
EAB： 數(shù)據(jù)寫入地址總線

中央處理器（CPU）

CPU由以下幾個部件組成：

    先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)： 包括三個獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和一個程序總線

    40位的算術(shù)邏輯單元： 包括一個40位移位器和兩個獨(dú)立的40位累加器

    17bit 17bit的并行乘法器同一個專用的加法器相配合： 用來執(zhí)行不經(jīng)流水線的單周期乘加（MAC）運(yùn)算

    指數(shù)譯碼器： 可以在一個周期里計算出一個40位累加器的指數(shù)值

    兩個地址生成器： 包括8個輔助寄存器和兩個輔助寄存器算術(shù)單元

    程序控制器： 對指令進(jìn)行解碼、管理流水線和程序流程

片上存儲器

    C54x共有192K字的尋址能力（64K字的程序區(qū)，64K字的數(shù)據(jù)區(qū)，和64K字的I/O區(qū)）。

    表1給出了部分C54x芯片的片上資源、運(yùn)算能力、工作電壓等。運(yùn)算能力用MIPS來度量，即每秒能執(zhí)行一百萬條指令的數(shù)量。

片上其它資源

C54x系列中不同產(chǎn)品具有不同的片上外設(shè)配置。這些外設(shè)有：

軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器

可編程的庫轉(zhuǎn)換

片上鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器（包括一個內(nèi)部振蕩器或一個外部時鐘源）

一個16比特定時器

通用輸入輸出管腳

同步串行口

異步串行口

C54x系列DSP芯片具有以下主要特點(diǎn)：

采用改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，對程序內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存使用分離的總線。這樣可以同時取指令和操作數(shù)，提高了運(yùn)行效率和通用性

先進(jìn)的CPU設(shè)計和為應(yīng)用設(shè)計的硬件邏輯提高了芯片的性能

為快速的后續(xù)發(fā)展設(shè)計的模塊化結(jié)構(gòu)

先進(jìn)的IC處理技術(shù)提供了高性
能和低功耗

采用5V或3V靜態(tài)CMOS技術(shù)
可以進(jìn)一步降低功耗

Power-down模式可以進(jìn)一步降
低功耗

能源消耗控制： 使用IDLE1，IDLE2，和IDLE3指令進(jìn)入Power-down模式
使用CLKOUT-off控制來禁止CLKOUT信號

高度專門的指令結(jié)構(gòu)提供了快速運(yùn)算和優(yōu)化的高階語言操作

單指令循環(huán)和塊指令循環(huán)功能

塊內(nèi)存移動指令提供了更好的程序和數(shù)據(jù)管理

32位操作數(shù)指令

擁有兩個或三個操作數(shù)讀取能力的指令

可以并行存儲和并行讀取的算術(shù)指令

條件存儲指令

從中斷快速返回的指令 擁有多種片上外設(shè)和內(nèi)存配置方案

40位算術(shù)運(yùn)算器（ALU）

17bit 17bit單周期并行乘法器

六級流水線操作提高程序執(zhí)行效率

支持比特倒置尋址方式和循環(huán)尋址方式。

    對于語音壓縮編碼，通常所需要的DSP運(yùn)算能力不會超過50個MIPS，程序和數(shù)據(jù)所占用的容量大約幾十K字，AD/DA的精度保持就可以滿足使用要求，語音輸入輸出、信碼輸入輸出各需要一個雙向串口。但考慮在通信領(lǐng)域中應(yīng)用，往往一片DSP不僅要實(shí)現(xiàn)語音壓縮編解碼，還需要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)回聲抵消、加解密、信道編解碼，甚至基帶調(diào)制解調(diào)算法等。因此我們選用了TMS320VL5416設(shè)計硬件平臺。AD/DA芯片采用TI公司的TLV320AIC10，它是德州儀器公司（TI）推出的一款通用型低功耗16位A/D、D/A音頻接口芯片，適用于語音以及寬帶音頻處理。采用3.3V或5V供電，片內(nèi)集成了FIR濾波器，可以達(dá)到最高88KHz的采樣頻率，集成了輸入放大器和輸出放大器，支持多路芯片串連，提供低功耗、ADC與DAC單獨(dú)三種工作模式。TLV320AIC10的數(shù)字接口采用同步串口方式，可以非常方便的與DSP同步串口（McBSP）相連。FLASH采用SST39VF800A芯片，該芯片有512K 16容量，可以將多種應(yīng)用程序固化在該芯片中。開機(jī)后DSP的加載程序自動將FLASH中的程序拷貝到DSP片上RAM中，以便能夠全速運(yùn)行程序，充分發(fā)揮DSP的處理能力。

ITU-T G.729 8kb/s CS—ACELP簡介

    國際電信聯(lián)盟（ITU-T）于1995年11月正式通過了G.729。 ITU-T建議G.729也被稱作“共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼方案”(CS-ACELP)，它是當(dāng)前較新的一種語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)。96年ITU-T又制定了G.729的簡化方案G.729A，主要降低了計算的復(fù)雜度以便于實(shí)時實(shí)現(xiàn)，因此目前使用的都是G.729A。

    G.729是由美國、法國、日本和加拿大的幾家著名國際電信實(shí)體聯(lián)合開發(fā)的。它需要符合一些嚴(yán)格的要求，比如在良好的信道條件下要達(dá)到長話質(zhì)量，在有隨機(jī)比特誤碼、發(fā)生幀丟失和多次轉(zhuǎn)接等情況下要有很好的穩(wěn)健性等。這種語音壓縮算法可以應(yīng)用在很廣泛的領(lǐng)域中，包括ＩＰ電話、無線通信、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)和數(shù)字專用線路。

    G.729算法采用“共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼方案”（CS-ACELP）算法。這種算法綜合了波形編碼和參數(shù)編碼的優(yōu)點(diǎn)，以自適應(yīng)預(yù)測編碼技術(shù)為基礎(chǔ)，采用了矢量量化、合成分析和感覺加權(quán)等技術(shù)。

圖1 G.729A編碼器原理圖

    編碼器（圖1）對10ms長的語音幀進(jìn)行處理，每幀分為兩個子幀。輸入語音首先要在預(yù)處理模塊中經(jīng)過高通濾波和幅度壓縮變換，以去除低頻干擾及防止在后面運(yùn)算中出現(xiàn)溢出。每幀進(jìn)行一次線性預(yù)測（LP）分析，并將LPC參數(shù)轉(zhuǎn)換到線譜，對（LSP）形式進(jìn)行預(yù)測式二階段矢量量化（VQ）。然后使用分析合成法，按照合成信號和原始信號間感覺加權(quán)失真最小的準(zhǔn)則來提取激勵參數(shù)。激勵參數(shù)（包括固定碼本和自適應(yīng)碼本參數(shù)）要每子幀（5ms）計算一次。每幀要利用感覺加權(quán)語音進(jìn)行一次開環(huán)整數(shù)基值基音延時估計，然后進(jìn)行閉環(huán)的分?jǐn)?shù)值基音分析，確定自適應(yīng)碼本的延時和增益，下面再進(jìn)行固定碼本的搜索。固定碼本是使用交織單脈沖排列設(shè)計的代數(shù)碼本。在搜索時使用迭代式深度優(yōu)先樹型搜索算法。這種算法的運(yùn)算量比較小，并且具有固定的運(yùn)算復(fù)雜度，比較有利于使用硬件實(shí)現(xiàn)。自適應(yīng)碼本和固定碼本的增益使用預(yù)測式二階段共軛結(jié)構(gòu)碼本進(jìn)行矢量量化。

圖2 G.729A解碼器原理圖

    圖2給出了解碼算法的框圖。首先要從接收到的碼流中提取LSP系數(shù)和兩個分?jǐn)?shù)基音延時、兩個固定碼本矢量以及兩套自適應(yīng)碼本和固定碼本增益等參數(shù)。然后，對LSP參數(shù)進(jìn)行插值，并轉(zhuǎn)換到線性預(yù)測濾波器系數(shù)的形式。接下來，將自適應(yīng)碼本和固定碼本矢量分別乘以各自的增益再相加，得到激勵信號。激勵信號通過LPC綜合濾波器后，就得到了合成語音信號。最后還要對合成語音信號進(jìn)行后處理，以提高合成語音的質(zhì)量。

程序的編制及調(diào)試

程序編制

    DSP開發(fā)工具一般都提供C編譯器，可以直接將寫好的C語言程序轉(zhuǎn)換成DSP匯編語言程序，但效率非常低。G.729A算法C語言程序用編譯器轉(zhuǎn)成匯編語言程序運(yùn)行所需要的運(yùn)算量超過2000個MIPS（每秒百萬條指令），根本無法實(shí)時運(yùn)行，因此必須手工編寫匯編程序。

    由于編解碼的程序規(guī)模很大，又是在DSP的匯編語言級別上實(shí)現(xiàn)，因此保持原定點(diǎn)C語言程序所具有的模塊化、結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)對于匯編程序的編寫、檢查、調(diào)試和閱讀都是非常有利的。所以在編程時盡量保持DSP程序與C語言程序在流程上的一致，具體是使DSP程序與C程序之間保持函數(shù)一一對應(yīng)關(guān)系，保持循環(huán)、分支等結(jié)構(gòu)的一一對應(yīng)。只有為了避免使DSP程序產(chǎn)生過大的不必要開銷時，才對結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的修改，但仍然要保持程序的模塊化和結(jié)構(gòu)化。由于C程序的結(jié)構(gòu)清晰，所以要想作到這一點(diǎn)并不困難，只要為C程序中的if、else、for、while等結(jié)構(gòu)設(shè)計出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)化的DSP匯編程序結(jié)構(gòu)，在編程時按照這種固定對應(yīng)關(guān)系對C語言程序進(jìn)行轉(zhuǎn)換就可以了。

程序的調(diào)試

    程序的調(diào)試也是一項(xiàng)很費(fèi)時的工作。ITU-T針對G.729A提供了8組測試碼，只要通過了這8組測試碼，就可以認(rèn)為程序基本正確了，這8組測試碼分別針對程序中的不同位置而設(shè)定如下：

algthm - 算法中的條件部分
erasure - 幀刪除恢復(fù)
fixed -固定碼本搜索
lsp -LSP系數(shù)量化
overflow -合成器中的溢出檢查
parity -奇偶校驗(yàn)
pitch -基音周期搜索
speech -一般語音文件
tame -訓(xùn)練過程

    采用的調(diào)試步驟是首先針對測試碼中最短的algthm.in的第一幀邊編程邊調(diào)試，也就是每編好一個函數(shù)，就將algthm.in的第一幀通過該函數(shù)后的輸出數(shù)據(jù)和C語言的相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)相比較，并針對出現(xiàn)的錯誤修改函數(shù)內(nèi)容，由于對剛編完的函數(shù)進(jìn)行調(diào)試，對函數(shù)結(jié)構(gòu)和指令記憶會比較清晰。這樣，當(dāng)編碼器完成后，algthm.in的第一幀也就基本通過了。然后再繼續(xù)調(diào)試第二幀，當(dāng)?shù)诙餐ㄟ^后，程序中所剩的錯誤也就不多了。等到通過了第10幀，就可以開始大規(guī)模地進(jìn)行仿真了。對于解碼部分，由于程序比較短，就采用了先把全部程序編完，再進(jìn)行調(diào)試的方法。

程序的優(yōu)化

    編碼模塊與解碼模塊是按照G.729編解碼器的C語言定點(diǎn)源程序改寫的，雖然定點(diǎn)的C語言程序已經(jīng)為DSP的實(shí)現(xiàn)作了一定的優(yōu)化，但為在一個DSP芯片上實(shí)現(xiàn)盡量多路的編解碼，必須根據(jù)C54x芯片的功能和特點(diǎn)對程序進(jìn)行一定的優(yōu)化。在編寫DSP程序時，要想提高運(yùn)行效率，就要充分利用C54x DSP芯片具有的各種硬件資源，并適當(dāng)?shù)貙Τ绦蚪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行一定調(diào)整，采用的主要方法有以下幾種：

充分利用各種延時

    C54x芯片指令中的跳轉(zhuǎn)、循環(huán)、調(diào)用子函數(shù)等指令都有延時的格式如B[D]，BC[D]，RPT[D]，RPTB[D]，CALL[D]，CC[D]，RET[D]，RC[D]等，這些指令允許利用他們執(zhí)行過程中的等待周期預(yù)先執(zhí)行一兩條其他指令，適當(dāng)調(diào)整程序結(jié)構(gòu)就可以充分利用這些等待周期，從而提高程序執(zhí)行速度。

充分利用塊指令循環(huán)功能

    C54x DSP芯片還提供了塊指令循環(huán)功能，此功能可以大大地提高執(zhí)行循環(huán)的速度，但是此功能只能在一重循環(huán)中使用，因?yàn)樗惶峁┝艘粋€循環(huán)記數(shù)寄存器BRC，所以在遇到多重循環(huán)時就要盡量把這個功能用在最里層的循環(huán)中，最里層循環(huán)是執(zhí)行次數(shù)最多的循環(huán)。

利用DSP芯片提供的各種寄存器

    適當(dāng)?shù)乩酶鞣N寄存器也能顯著地提高程序的執(zhí)行速度。特別是當(dāng)一個函數(shù)在程序中被頻繁地調(diào)用，它的賦值可以減少執(zhí)行時鐘周期。

利用指令中的移位功能

    C54x DSP在做賦值和數(shù)值運(yùn)算之前可以自動對操作數(shù)進(jìn)行一定位數(shù)的移位，這樣就可以將移位運(yùn)算和其它運(yùn)算結(jié)合到一條指令中。另外，利用這種移位功能可以代替一些乘數(shù)為2的冪乘法，雖然有這樣的限制，但是在許多濾波器和函數(shù)中確實(shí)有這樣的運(yùn)算，帶立即數(shù)的乘法需要兩個指令周期，而移位只需一個指令周期，并且如果條件允許還可以將其結(jié)合到其它指令中，從而大大節(jié)省運(yùn)算量。

利用DELAY指令進(jìn)行賦值操作

    另外，在程序中有大量的賦值操作，即將一個內(nèi)存變量的值賦給另一個內(nèi)存變量。特別是在搜索碼本的時候有大量的賦值操作，并且賦值的兩個變量是固定的。一般的方法是將第一個變量讀入到累加器或寄存器TREG中，再將累加器的值賦到第二個變量中。此過程要用兩條單周期指令。C54x提供了一個移動緩沖區(qū)的指令DELAY，可以在一個指令周期內(nèi)將內(nèi)存單元的值復(fù)制到它后面的相鄰的內(nèi)存單元內(nèi)。雖然DELAY指令一般是用來移動緩沖區(qū)的，但只要在給變量分配內(nèi)存時將需要賦值的變量相鄰分配，就可以在一個指令周期內(nèi)完成賦值操作。

利用寄存器代替某些臨時變量

    程序中往往有很多的臨時變量，有的臨時變量應(yīng)用到自始至終，但是有的臨時變量只是在程序中的某段區(qū)域使用，只是暫時做數(shù)據(jù)存儲之用，對這類變量就可以酌情使用寄存器代替。由于對寄存器可以直接進(jìn)行操作，而不需要進(jìn)行取數(shù)、存數(shù)操作，從而可以大大提高程序運(yùn)行速度。

盡量利用尋址寄存器

    C54x提供了八個尋址寄存器AR0-AR7，使用它們可以進(jìn)行尋址操作，并且可以控制它們的值隨著指令執(zhí)行而增減。充分利用它們進(jìn)行尋址可以顯著提高運(yùn)行速度。

實(shí)現(xiàn)結(jié)果

運(yùn)算量統(tǒng)計

    在對某一幀實(shí)際語音的處理過程中，編解碼器算法的，各個部分運(yùn)算量所占比例顯示在表1中。運(yùn)算量較大的部分是LSP系數(shù)的矢量量化與激勵碼本（自適應(yīng)碼本和隨機(jī)碼本）的搜索。這兩個部分的運(yùn)算量大約占全部編解碼運(yùn)算量的80％以上。



    由于G.729A算法中的LSP系數(shù)的量化、自適應(yīng)碼本和隨機(jī)碼本的搜索等運(yùn)算量較大的部分的計算復(fù)雜度都是固定的，對于不同的輸入所用的指令周期數(shù)目只有很小的改變，所以整個編解碼器的運(yùn)算量也是基本固定的，在幀與幀之間只有很小的波動，基本在15MIPS附近波動，其中編碼部分約占13MIPS，解碼部分約占2MIPS。

儲量統(tǒng)計

    G.729a算法所用的存儲量情況見表2。
    編碼器和解碼器的存儲量是分別統(tǒng)計的，它們有很多的共同區(qū)域，如數(shù)據(jù)區(qū)中的表格部分和程序區(qū)的公用函數(shù)部分，所以合并后的數(shù)據(jù)區(qū)和程序區(qū)總存儲量應(yīng)分別為約7K字。

結(jié)束語

    本文介紹了采用TI公司TMS320VC5416實(shí)現(xiàn)ITU-T G.729A 8kb/s CS-ACELP語音壓縮編碼，所采用的設(shè)計思路、程序調(diào)試和程序優(yōu)化的方法對用其它DSP芯片實(shí)現(xiàn)語音壓縮編碼算法也有參考意義。