基于DSP的G．729語音編解碼器設計

摘要：設計了基于DSP的G．729語音編解碼器，并針對G．729算法標準源碼代碼效率低、執(zhí)行時間長的不足，從算法精簡、代碼優(yōu)化等方面進行了優(yōu)化。優(yōu)化后的算法在保證了高質量語音輸出的同時，提高了編碼效率，實現(xiàn)了對語音信號的實時處理。最后對系統(tǒng)性能進行了測試，結果滿足設計要求。
關鍵詞：G．729；DSP；語音編碼；算法優(yōu)化

0 引言
    語音信號處理是現(xiàn)代通信研究的重要內容之一，語音壓縮編碼作為其關鍵技術，如今已得到了極大的發(fā)展。G．729是國際電信聯(lián)盟(ITU)于1996年提出的采用共軛結構代數(shù)碼激勵線性預測(CS-ACELP)的語音編碼算法，由于其具有低速率、低延時、高質量等優(yōu)點，被廣泛應用于數(shù)字通信系統(tǒng)，如IP電話、視頻會議、移動通信等。數(shù)字信號處理器(DSP)價格低廉，并具有強大的運算能力，用它來實現(xiàn)G．729算法具有很大的現(xiàn)實意義。近年來，國內外研究基于DSP的G．729語音編碼算法的學者很多，但隨著無線通信系統(tǒng)用戶越來越多，以及DSP在結構、性能上的巨大變化，怎樣使該算法在DSP上最高效的實現(xiàn)，依然是一個很重要的課題。
    本文首先對G．729算法進行了分析，然后結合DSP的特點，分別進行了系統(tǒng)的硬件和軟件設計。該系統(tǒng)不但滿足G．729算法要求，還可以作為其他語音編譯碼平臺；在此基礎上，本文針對ITU提供的標準源碼代碼效率低、執(zhí)行時間長等不足，提出了算法的具體優(yōu)化技術，并對優(yōu)化結果進行了比較分析。結果表明，優(yōu)化后的算法在保證語音質量的同時，提高了編碼效率，實現(xiàn)了對語音信號的實時處理。

1 ITU-T G．729原理分析
    ITU-T G．729算法以自適應預測編碼技術為基礎，采用矢量量化、合成分析和感覺加權等技術。其編碼速率達到8 Kb／s，合成語音質量不低于32 Kb／sADPCM的水平。
    該算法要求輸入信號為8 kHz取樣、16 b線性PCM信號。在編碼器端，每80樣點為一幀(每幀再分為兩個子幀)，分析并提取語音信號各種參數(shù)(LPC濾波器系數(shù)、自適應碼書和固定碼書的編號、自適應碼字增益和固定碼字增益)，把這些參數(shù)進行80 b編碼發(fā)送。
    在解碼端，把收到的比特流恢復成參數(shù)編碼，解碼后得到各個參數(shù)，用自適應碼書編號從自適應碼書中得到自適應碼字，用固定碼書編號從固定碼書中得到固定碼字，分別乘以它們的增益，按點相加后構成激勵序列。激勵LPC綜合濾波器重構語音(綜合濾波器由LPC系數(shù)構成)。重構語音信號在輸出前經(jīng)過后置處理，包括長時后置濾波、短時綜合濾波和高通濾波。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。其中DSP芯片采用TI公司的TMS320VC5416，音頻接口采用16位音頻編解碼芯片TLV320AIC23，SRAM和FLASH分別采用芯片CY7C1041CV33和SST39VF400。此外，系統(tǒng)還配有電源芯片、電壓轉換芯片、CPLD(EPM3128ATC100)等。

    系統(tǒng)編碼流程為：由音頻接口芯片TLV320AIC23將模擬信號轉換成8K×16 b／s的數(shù)字信號，采樣后的數(shù)字信號通過多通道緩沖串口McB-SP0傳送到DSP的內部緩沖區(qū)，當緩沖區(qū)內的數(shù)據(jù)積累到一幀(80×16 b)時啟動編碼程序，編碼完成后將8 Kb／s的壓縮碼流通過數(shù)字接口(Mc-BSP2)輸出至信道。
    系統(tǒng)解碼流程為：由McBSP2將信道發(fā)送來的數(shù)字碼流接收至DSP的內部接收緩沖區(qū)，然后經(jīng)DSP進行解碼處理，解碼后的數(shù)字語音通過Mc-BSP0發(fā)送給TLV320AIC23，經(jīng)過D／A轉換恢復出原始語音信號。由此，該系統(tǒng)最終實現(xiàn)了語音的采集、編碼、發(fā)送和接收、解碼、播放的功能。[!--empirenews.page--]

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件部分主要包括音頻接口模塊、數(shù)字接口模塊、CPLD控制模塊及語音處理模塊等。音頻接口模塊主要完成對TMS320VC5416的多通道緩沖串口McBSP0、McBSP1的配置及對音頻接口芯片的初始化等；數(shù)字接口模塊作為與外部信道的接口，在輸出語音碼流的同時提供幀同步與位同步信號，設計的重點在于McBSP2的配置，尤其是其內部采樣率發(fā)生器的配置；CPLD控制模塊完成TMS320VC5416各個控制信號和地址線的邏輯組合，以擴展外圍存儲器SRAM和FLASH，開發(fā)環(huán)境為QuartusⅡ。語音處理模塊是本設計的核心，將在下面重點介紹。
3．1 語音處理模塊軟件設計
    語音處理模塊由DSP完成，軟件流程圖如圖2所示。

    系統(tǒng)上電后，首先完成DSP內部寄存器、變量、外圍設備、音頻編解碼芯片的初始化，當McBSP有數(shù)據(jù)輸入時，McBSP產(chǎn)生一個事件報告DMA控制器，觸發(fā)DMA通道以后臺形式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮站彌_區(qū)；接收緩沖區(qū)每收到一定單元的數(shù)據(jù)，觸發(fā)DMA中斷，CPU響應該中斷進入中斷服務程序，提取數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的編碼或解碼處理；然后再將處理后的數(shù)據(jù)送至發(fā)送緩沖區(qū)，由DMA傳送給多通道緩沖串口。
    編解碼算法采用G．729算法，ITU為G．729算法提供了標準C源代碼，并采用模塊化設計，具有可讀性強、便于維護等優(yōu)點，但該算法復雜度較高，而DSP芯片資源有限，處理延時很大。在實際應用中，語音編解碼器對算法實時性要求非常高，因此必須對原始代碼進行算法精簡和代碼優(yōu)化，這也是本文的重要工作之一。

3．2 編解碼算法優(yōu)化
    G．729算法是經(jīng)過長時間不斷的研究與討論，最終制定出的一個標準算法，對算法本身再進行大幅度優(yōu)化是很困難的。不過，可以在算法的細節(jié)和具體實現(xiàn)方法上進行精簡。
3．2．1 碼本搜索算法精簡
    在10維LSP量化碼本搜索中，需要找到一個碼矢量，使得它與輸入矢量的均方誤差最小，如式(1)所示。
   

    在ITU提供的標準算法中，程序每次搜索時，先計算完本次的均方誤差，然后再與之前的最小值進行比較。實際上，如果本次未計算完的均方誤差已經(jīng)大于之前保存的最小值時，可以直接停止本次計算進入到下一次計算中，這樣能節(jié)省大量乘和累加運算。

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圖3是該算法精簡后的流程圖。

    實驗證明，在10幀語音信號的編碼過程中，這部分算法優(yōu)化后平均可減少15 000次左右的L_mac運算的調用。
3．2．2 去除不必要的溢出判斷
    使用CCS中的profiler工具對ITU提供的標準C源碼進行分析，結果表明，該算法大部分運算都集中在basic_op．c文件中的L_add()、L_mult()等幾個基本函數(shù)上。進一步分析發(fā)現(xiàn)，這些函數(shù)在溢出判斷上花費了大量的時間，而實際運算中真正會產(chǎn)生溢出的地方非常少。因此，為了進一步提高代碼效率，在完全不會產(chǎn)生溢出的地方用簡單的基本運算取代函數(shù)的調用，這樣即能大大縮短運算時間，還能節(jié)省調用函數(shù)的開銷。例如：
   
    這段程序中，由于-215≤a[i]≤215-1，-215≤b[i]≤215-1，那么a[i]*b[19-i]顯然不會超出區(qū)間[-231，231-1]，即這一部分不會產(chǎn)生溢出問題，因此這里的L_mult函數(shù)便可簡單替換為：
   
    這雖是一段極小的程序，但經(jīng)過這樣簡單的置換后卻能減少數(shù)十個時鐘周期。在整個代碼中類似的例子很多，優(yōu)化后的效果非常明顯。
3．2．3 循環(huán)優(yōu)化
    對循環(huán)的優(yōu)化一直是代碼優(yōu)化的重點，一般的循環(huán)優(yōu)化包括：循環(huán)合并、循環(huán)展開、循環(huán)內部的指令盡可能移到循環(huán)外等。這些方法在文獻中有詳細的介紹，這里就不再贅述。TMS320C54X系列芯片采用6級流水線結構，可以并行執(zhí)行多條指令，并在一定條件下可以實現(xiàn)零開銷循環(huán)處理。[!--empirenews.page--]
    所謂零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時，不用在循環(huán)終止的判斷、循環(huán)的跳轉及循環(huán)計數(shù)器的遞減上額外花費時間。但這就要求編譯器必須知道初始值、更新和結束條件；循環(huán)體內部不能調用函數(shù)；循環(huán)體內不能包含break語句；循環(huán)表達式中不能含有隨循環(huán)體中的條件變化而變化的循環(huán)變量；循環(huán)計數(shù)應該遞減等。為了實現(xiàn)零開銷循環(huán)，本文對標準C代碼進行了大量優(yōu)化，如在文件Qua_lsp．c中有如下循環(huán)：
   
    優(yōu)化前后本段代碼所消耗的時鐘周期數(shù)對比見表1。

3．2．4 使用DSPLIB庫優(yōu)化
    TMS320C54X系列提供的通用數(shù)字信號處理算法庫(DSPLIB庫)包含有50多個通用的信號處理程序，全部由匯編語言編寫，并可由C語言調用，方便C語言與匯編語言混合編程。在計算量大、對實時性要求又高的G．729中調用DSPLIB庫函數(shù)，對于提高代碼效率具有很大的意義。
    DSPLIB幾乎包括了當前已經(jīng)成熟的數(shù)字信號處理的大部分算法。如：FFT運算、濾波與卷積運算、自適應濾波運算、相關運算、數(shù)學函數(shù)運算、三角函數(shù)運算、矩陣運算等。
3．2．5 指針尋址
    在G．729算法中包含了大量數(shù)組元素的存取操作，ITU提供的標準代碼直接對數(shù)組進行操作，使得浪在地址計算上的時間開銷很大。若對數(shù)組采用指針尋址方式，可節(jié)省很多時間。而通常情況下數(shù)組又都應用在循環(huán)內部，指針尋址方式更加凸顯出了它的必要性。
    除了以上幾種優(yōu)化方法外，使用內聯(lián)函數(shù)，合理利用暫存器，使用宏定義等也都對代碼的優(yōu)化起到很好的作用。

4 測試結果及性能分析
    利用CCS提供的性能分析工具(profiler)對優(yōu)化前后的代碼進行分析，在TMS320VC5416上實現(xiàn)一幀數(shù)據(jù)編碼所用的時間分別為96 ms與8 ms，其中TMS320VC5416的CPU時鐘頻率為160 MHz。對幾個主要函數(shù)優(yōu)化前后的運行時間進行比較，對比如表2所示。

    分析結果表明，優(yōu)化后的時間比優(yōu)化前大大縮短，并嚴格控制在了10 ms以內，保證了系統(tǒng)的實時性。同時，將原始語音和重建語音的語音波形進行對比，如圖4所示。觀察對比波形可知，編碼前后語音波形差別很小，重建語音基本保持了原始語音的信息。通過主觀聽覺測試，重建語音清晰易懂，質量較高，MOS主觀評分在4．0以上，并且整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

5 結語
    本文實現(xiàn)了基于DSP的語音編譯碼器設計，該設計對ITU提供的G．729源代碼進行了算法精簡和代碼優(yōu)化，優(yōu)化后的代碼具有編碼效率高、占用資源少、實時性強等優(yōu)點。與源代碼相比，它的編碼效率提高了10倍以上，克服了源代碼難以應用在實時語音通信系統(tǒng)的缺點。
    目前，該設計已經(jīng)應用在本實驗室的語音通信實驗系統(tǒng)中，與傳統(tǒng)語音實驗系統(tǒng)相比，為學生提供了更先進的語音編碼實驗，模塊化的軟件設計也更適合學生的參與。同時，該系統(tǒng)采用通用的DSP硬件平臺，具有可擴展性強的特點，可實現(xiàn)多種語音編碼算法，為學生自主性學習提供了良好的條件。