G．723．1編譯碼算法的DSP實(shí)現(xiàn)

【摘　要】　介紹了ITU－TG．723．1標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音編譯碼器的算法及其在ADSP－2181芯片上的實(shí)現(xiàn) 。軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信號(hào)的采樣和實(shí)時(shí)編譯碼，完全符合ITU－TG．723．1標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)算法，通過(guò)了ITU－T的所有測(cè)試向量。
    關(guān)鍵詞：語(yǔ)音編譯碼，DSP，ITU┐TG．723．1

1　引　言
　　當(dāng)前,Voice over IP（VoIP）技術(shù)正在不斷普及,其中使用的低碼率語(yǔ)音壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有G．723 ．1和G．729兩種。隨著VoIP技術(shù)的不斷發(fā)展，要求產(chǎn)品的集成度與性能進(jìn)一步提高，利用新一代高性能DSP芯片，實(shí)現(xiàn)單片DSP處理多路語(yǔ)音信號(hào)，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。
　　G．723．1標(biāo)準(zhǔn)是ITU組織于1996年推出的一種低碼率編碼算法。主要用于對(duì)語(yǔ)音及其它多媒體聲音信號(hào)的壓縮，如可視電話(huà)系統(tǒng)、數(shù)字傳輸系統(tǒng)和高質(zhì)語(yǔ)音壓縮系統(tǒng)等。G．723．1標(biāo)準(zhǔn)可在6．3kbps和5．3kbps兩種碼率下工作。其中，高碼率算法具有較高的重建語(yǔ)音質(zhì)量，而低碼率算法的計(jì)算復(fù)雜度則較低。與一般的低碼率語(yǔ)音編碼算法一樣，G．723．1標(biāo)準(zhǔn)采用線性預(yù)測(cè)的合成分析法。對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，高碼率算法采用多脈沖最大似然量化（MP－MLQ），而低碼率算法則采用算術(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（ACELP）。
2　算法介紹
　　語(yǔ)音信號(hào)的參數(shù)模型是用激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)一個(gè)系統(tǒng)模型來(lái)模仿氣流沖激聲道產(chǎn)生的聲音。線性預(yù)測(cè)法基于全極點(diǎn)模型假定，采用時(shí)域均方誤差最小準(zhǔn)則來(lái)估計(jì)模型參數(shù)。分析過(guò)程中要提取的參數(shù)包括聲道系統(tǒng)的LSP參數(shù)、自適應(yīng)碼本的延遲和增益，
以及固定碼本中脈沖的位置和符號(hào)。
　　G．723．1編碼器能對(duì)以8kHz采樣的話(huà)帶語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮。為了降低碼率，G．723．1采用了較長(zhǎng)的幀尺寸，每幀240個(gè)樣值，即30毫秒幀長(zhǎng)。每幀輸入信號(hào)首先通過(guò)一階高通濾波器濾除直流分量，然后將之分成四個(gè)60個(gè)樣值的子幀，每個(gè)子幀獨(dú)立進(jìn)行LPC分析。為了提高LPC系數(shù)的連續(xù)性，采用了長(zhǎng)度為180個(gè)樣值的重疊窗，即同時(shí)包含前后兩個(gè)子幀，這使算法引入60個(gè)樣值的超前時(shí)延，因此算法的總時(shí)延為37．5毫秒。LPC系數(shù)用線性譜頻率（LSF）表示，LSF參數(shù)采用預(yù)測(cè)分裂矢量量化，只對(duì)第四子幀進(jìn)行。為了提高量化感知質(zhì)量，高通濾波后的語(yǔ)音信號(hào)需通過(guò)共振峰感知加權(quán)濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器以生成初始目標(biāo)信號(hào)。前者參數(shù)由各子幀的未量化LPC系數(shù)構(gòu)成，后者通過(guò)對(duì)每?jī)勺訋M(jìn)行開(kāi)環(huán)基音周期估計(jì)得到，其中基音周期的范圍為18到142個(gè)樣值。LPC合成濾波器、共振峰感知加權(quán)濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器用于系統(tǒng)零輸入響應(yīng)計(jì)算和最佳激勵(lì)估計(jì)。G．723．1編碼器還包括一個(gè)五階基音預(yù)測(cè)器，其參數(shù)根據(jù)開(kāi)環(huán)基音估計(jì)值和脈沖響應(yīng)進(jìn)行閉環(huán)基音搜尋得到。在進(jìn)行最佳激勵(lì)估計(jì)時(shí)，需從初始目標(biāo)信號(hào)中減去系統(tǒng)零輸入響應(yīng)和基音預(yù)測(cè)器貢獻(xiàn)以得到最終目標(biāo)信號(hào)，然后針對(duì)高低碼率分別采用MP－MLQ和ACELP方法進(jìn)行量化。其中，LSF參數(shù)、基音值和激勵(lì)參數(shù)需傳送給解碼器。
　　解碼器首先根據(jù)得到的LSF參數(shù)重建LPC合成濾波器，然后根據(jù)基音值和激勵(lì)參數(shù)得到自適應(yīng)碼本激勵(lì)信號(hào)和固定碼本激勵(lì)信號(hào)。
2．1　聲道模型參數(shù)的提取
    十階全極點(diǎn)模型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：
    　　
　　其中，S（z）和U（z）分別是輸出信號(hào)s（n）和輸入信號(hào)u（n）的Z變換。因此誤差信號(hào)為：
  
要使均方誤差最小，｛ak｝必定滿(mǎn)足＝1，2，．．．10），由此可得到以k為變量的方程組：
   
其中，R（n）為S（n）的自相關(guān)函數(shù)值。對(duì)于這個(gè)Toeplitz矩陣，用Durbin遞推算法可方便求解。
　　因?yàn)榫€譜對(duì)參數(shù)（LSP）良好的量化特性和內(nèi)插特性，LPC參數(shù)要轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)SP參數(shù)進(jìn)行傳輸。
設(shè)線性濾波器的逆濾波器為

ωi和θi分別是P（z）和Q（z）的第i個(gè)零點(diǎn)。ωi和θi成對(duì)出現(xiàn)，反映信號(hào)的頻譜特性，因此稱(chēng)為線譜對(duì)。對(duì)P（z）和Q（z）的系數(shù)做離散傅立葉變換得到zk＝e－jπk／N（k＝0，1，2．．．N）各點(diǎn)的值，搜索極小值點(diǎn)的位置，就是可能的零點(diǎn)位置。
2．2　自適應(yīng)碼本的搜索
　　開(kāi)環(huán)搜索是基于整幀的整數(shù)基音估計(jì)。為了提高可靠性，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，用中心削波函數(shù)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行削波。然后用自相關(guān)基音檢測(cè)法估
計(jì)基音Top。閉環(huán)搜索是基于子幀的基音細(xì)搜索。將LPC合成濾波器、共振峰感知加權(quán)濾波器和諧波噪聲濾波器一起構(gòu)成綜合濾波器，計(jì)算出該綜合濾波器的沖激響應(yīng)。用估算出的開(kāi)環(huán)基音周期和計(jì)算所得綜合濾波器的沖激響應(yīng)，通過(guò)一個(gè)五階的基音預(yù)測(cè)器，可計(jì)算出閉環(huán)基音周期。
2．3　固定碼本的搜索
　　對(duì)自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差余量信號(hào)進(jìn)行固定碼本搜索。
　　對(duì)高碼率（6．3kbps）的固定碼本搜索采用脈沖最大似然量化法（MP－MLQ）。激勵(lì)信號(hào)可表示為
其中，G為增益因子，δ（n）為單位脈沖響應(yīng)，｛ak｝和｛mk｝分別是單位脈沖響應(yīng)的符號(hào)和位置。M為脈沖的數(shù)目，偶數(shù)幀取6，奇數(shù)幀取5。
　　編碼算法的任務(wù)是估計(jì)G、｛ak｝和｛mk｝，使誤差信號(hào)e〔n〕的均方值最小。

其中，r〔n〕表示目標(biāo)矢量，自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差信號(hào)，h〔n〕表示加權(quán)合成濾波器的沖激響應(yīng)。
　　對(duì)低碼率（5．3kbps）編碼器固定碼本搜索采用代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)法（ACELP）。每一子幀中有4個(gè)脈沖，它們可能的位置如表1所示。
表1

　　碼本搜索同樣是使加權(quán)語(yǔ)音信號(hào)r〔n〕與加權(quán)合成語(yǔ)音信號(hào)之間均方誤差最小。即：

其中，r表示目標(biāo)矢量，自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差信號(hào)，G是碼本增益，vξ是代數(shù)碼本中索引ξ對(duì)應(yīng)的碼本，H是加權(quán)合成濾波器的截?cái)鄾_激響應(yīng)。
    要求最佳碼本，即要搜索使τξ最大的ξ，[!--empirenews.page--]
 
其中，τξ是一個(gè)中間參數(shù)，d是r〔n〕和h〔n〕之間的相關(guān)值，Φ是沖激響應(yīng)的協(xié)方差矩陣。C、ε的計(jì)算：

　　對(duì)奇位置的碼矢量，先把偶脈沖移一個(gè)樣本位置，然后用上式計(jì)算。
3　算法實(shí)現(xiàn)
3．1　硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　模擬的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)TP3057的A／D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入ADSP－2181（采樣頻率8kHz）。TP3057是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的A律編／解碼器，它包含一個(gè)利用A／D和D／A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的A律脈沖編碼調(diào)制的編解碼器／濾波器單片電路和一個(gè)串行PCM接口。其中，編碼部分還包含一個(gè)可調(diào)輸入增益的放大器、一個(gè)有源RC前置濾波器、自動(dòng)調(diào)零電路、一個(gè)A率壓縮編碼器。解碼部分包括一個(gè)A律解碼器和截止頻率為3400Hz的低通濾波器。前者從A律壓擴(kuò)的信號(hào)中重建模擬信號(hào)，后者校正譯碼器輸出的sinx／x響應(yīng)并濾除高頻信號(hào)。
　　ADSP－2181是Analog Devices公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)越的單片機(jī),適合于高速的數(shù)字信號(hào)處理。 ADSP－2181除了三個(gè)運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序序列器，還含有兩個(gè)串行口、一個(gè)16位的內(nèi)部IDMA口、一個(gè)8位的BDMA口、一個(gè)可編程定時(shí)器、外部中斷能力及片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。片內(nèi)集成了80k字節(jié)的存儲(chǔ)器，包括16k長(zhǎng)度為24bit的程序存儲(chǔ)器和16k長(zhǎng)度為16bit的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
　　利用IDMA口的自動(dòng)接受發(fā)送功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)ADSP－2181與主CPU間的數(shù)據(jù)交互。PC機(jī)通過(guò)IMDA口將程序裝載入ADSP－2181內(nèi)部存儲(chǔ)器中。在ADSP－2181全速執(zhí)行時(shí)，主機(jī)可以查詢(xún)其狀態(tài)，讀取壓縮后的碼流，也可送入待解碼的數(shù)據(jù)。
3．2　軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)模塊：接口模塊、編碼模塊和解碼模塊。
　　接口模塊實(shí)現(xiàn)ADSP－2181與主CPU之間的數(shù)據(jù)交換。該模塊包括DSP的主控程序和數(shù)據(jù)傳輸兩部分。DSP的主控程序負(fù)責(zé)將采集到的語(yǔ)音數(shù)據(jù)分幀，送入編碼器，并將接受到的碼流分類(lèi)后送入解碼模塊。數(shù)據(jù)傳輸部分負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和與主CPU的數(shù)據(jù)交換。
　　DSP程序根據(jù)ITU－TG．723．1標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)算法,分為初始化（G723—Init）、編碼（G723—Incode）、解碼（G723—Decode)三個(gè)模塊。
    G723—Icode對(duì)包含240個(gè)采樣點(diǎn)的一幀信號(hào)進(jìn)行編碼，返回12個(gè)或10個(gè)字長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
    輸入數(shù)據(jù)由串口得到，放在數(shù)組G723—Enc—Inp中，返回值放在數(shù)組G723—Enc—Out中，對(duì)于6.3kbps長(zhǎng)工為12個(gè)字，對(duì)于5.3kbps長(zhǎng)度為10個(gè)字。其格式按照G．723．1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝。
　　G723—Decode根據(jù)接收到的12字或10字打包數(shù)據(jù)重建240個(gè)語(yǔ)音樣點(diǎn)。輸入數(shù)據(jù)放在G723　
　　Dec—Inp中，輸出放在數(shù)組G723—Dec—Out中。
　　主機(jī)程序采用VisualC＋＋編寫(xiě)，通過(guò)串口與DSP通信。
3．3　C語(yǔ)言的優(yōu)化
　　開(kāi)發(fā)中采用AD公司的集成仿真軟件VisualDSP＋＋，但是通常，C編譯器能完成整個(gè)工作的70％，而30％的進(jìn)一步優(yōu)化必須通過(guò)手寫(xiě)匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3．3．1　循環(huán)展開(kāi)
　　使用具有并行能力的DSP開(kāi)發(fā)軟件時(shí)，一個(gè)重要的思想就是充分利用DSP的字長(zhǎng)和數(shù)目眾多的運(yùn)算單元，盡量把循環(huán)體展開(kāi)。通過(guò)增加每次循環(huán)中執(zhí)行的指令數(shù)來(lái)減少總的循環(huán)次數(shù)，可使得在同樣的時(shí)鐘周期內(nèi)能運(yùn)行更多的指令，提高了循環(huán)的效率。
3．3．2　提高寄存器的利用率
　　DSP芯片內(nèi)部的運(yùn)算單元運(yùn)行效率非常高，但如果寄存器和數(shù)據(jù)總線之間的數(shù)據(jù)交換頻繁，將使DSP的執(zhí)行效率大打折扣。因?yàn)镈SP在進(jìn)行內(nèi)存操作時(shí)，往往需要若干周期的延遲，如Load指令要有4個(gè)周期的延遲，Store指令需要2個(gè)周期的延遲。為了減少耗時(shí)的內(nèi)存操作,可以在程序進(jìn)入循環(huán)體之前，將要頻繁使用的數(shù)據(jù)預(yù)先放入寄存器，然后反復(fù)調(diào)用，實(shí)踐證明這種方法可以提高一部分效率。
4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　所有代碼全部通過(guò)了ITU－T測(cè)試矢量的測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于高碼率（6．3kbps）所需計(jì)算量為24．8MIPS，對(duì)于低碼率（5．3kbps），所需計(jì)算量為21．3MIPS。該實(shí)現(xiàn)可以在IP電話(huà)、視頻會(huì)議中得到廣泛應(yīng)用。