高速G,729ab聲碼器設計及其在媒體網(wǎng)關(guān)中的應用

　　在VoIP媒體網(wǎng)關(guān)設備中，語(yǔ)音壓縮編碼是其關(guān)鍵技術(shù)之一。在ITU-T發(fā)布的應用于VoIP的語(yǔ)音壓縮編解碼標準中，G．729是應用較為廣泛的一種。G．729采用“共軛結構代數碼本激勵線(xiàn)性預測編碼” (CS-ACELP)算法，算法幀長(cháng)為lO ms，編碼后速率為8 Kb／s。G．729有兩個(gè)附件：附件A給出一種低復雜度的算法，可應用于多媒體同步語(yǔ)音和數據；附件B在標準算法的基礎上增加了靜音檢測壓縮算法以降低平均傳輸率，包括靜音檢測(VAD)和舒適噪音產(chǎn)生(CNG)。文獻對G．729語(yǔ)音壓縮編碼算法的具體原理中有詳盡的描述，本文的論述重點(diǎn)在算法的匯語(yǔ)言?xún)?yōu)化、聲碼器的DSP硬件接口設計，以及其在媒體網(wǎng)關(guān)中的應用。

　　1 G．729ab編解碼核心算法優(yōu)化

　　本文選擇TI公司的TMS320C6203芯片為核心，實(shí)現G．729ab聲碼器設計。TMS320C62xx系列DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Code Composer Studio(簡(jiǎn)稱(chēng)CCS)支持標準C語(yǔ)言和匯編混合編程的方式編程，為了提高編解碼算法的效率，本文對ITU_T的標準G．729ab的C語(yǔ)言原碼進(jìn)行匯編指令優(yōu)化設計。同時(shí)，對于上層編解碼器控制函數，采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，以提高聲碼器的可維護性。

　　C62xx采用6級流水線(xiàn)結構，提供了A，B兩組(共32個(gè))通用寄存器，8個(gè)功能單元(．L1，．L2，．S1，．S2，．M1，．M2，．D1 和．D2)，最多同時(shí)可以有8條指令處在不同的執行階段并行。流水線(xiàn)結構是DSP實(shí)現高速運算的重要技術(shù)。由于不同指令的指令周期不同，需要在多周期指令后插入足夠的NOP(空操作)指令，以避免流水線(xiàn)沖突。

　　在G．729ab的標準C代碼中，有大量的循環(huán)體。循環(huán)控制的關(guān)鍵跳轉指令B，需要等待5個(gè)指令周期，大量的NOP操作將降低代碼的效率。為了提高循環(huán)效率，可以合理安排指令順序，在一個(gè)匯編循環(huán)體內完成多個(gè)C循環(huán)的運算的流水線(xiàn)操作。用匯編指令實(shí)現如下簡(jiǎn)單的for循環(huán)求信號能量的程序段為例：

　　上述示例可使用如下匯編程序段實(shí)現：

　　如上優(yōu)化后，循環(huán)體LOOP僅為一個(gè)周期，在這一個(gè)周期中有6條并行運行的指令。其中，內存讀取指令LDFI需4個(gè)周期，故乘法指令SMPY是將向前追溯 4個(gè)循環(huán)周期的內存讀取結果相乘。同理，SMPY指令需2個(gè)周期，故SADD指令是將2個(gè)循環(huán)周期之前的相乘結果相加。B0和A1配合用于循環(huán)控制，在等待跳轉指令B有效的5個(gè)延時(shí)周期內，依次進(jìn)行隨后的后一循環(huán)的取數，前第3個(gè)循環(huán)的相乘，前一個(gè)循環(huán)的求和、循環(huán)控制和跳轉指令，依次類(lèi)推。上述優(yōu)化實(shí)現了最優(yōu)循環(huán)效率。
本設計優(yōu)化后核心編解碼算法代碼完全符合ITUT G．729ab標準，并通過(guò)了ITU-T的所有測試矢量。使用300 MHz主頻的TMS320C6203實(shí)現聲碼器，單片可支持31路G．729ab算法。

　　2 聲碼器的DSP硬件接口設計

　　在媒體網(wǎng)關(guān)中，聲碼器的功能是實(shí)現PSTN的E1語(yǔ)音信號和數據網(wǎng)分組語(yǔ)音壓縮信號之間的編解碼轉化。利用TMS320C6203片內固化設置的 McBSP接口(多通道緩存串行接口)與HPI接口(主處理器接口)，可以實(shí)現DSP與E1總線(xiàn)、以及數據網(wǎng)上層處理器的連接。結構示意圖如圖1所示。

　　TM320C6203通過(guò)內置McBSP與EDMA(Enhanced Directory Memory Access，增強型直接內存訪(fǎng)問(wèn))控制器配合，可實(shí)現與E1標準接口的鏈接。設置McBSP的接收／發(fā)送控制寄存器(R／XCR)，使串口按照標準E1 數據格式進(jìn)行數據收發(fā)；設置串口管腳控制寄存器(PCR)，控制串口采用外部E1總線(xiàn)的時(shí)鐘和幀同步信號；設置串口控制寄存器(SPCR)，控制串口的 R／XINT(收／發(fā)中斷)由EDMA響應。

　　TMS320C6203支持16個(gè)EDMA通道，其12～15通道可用于響應串口收、發(fā)中斷。以串口接收數據為例：本設計中設計了乒、乓兩個(gè)串口數據接收緩存區。

　　串口寄存器中的數據通過(guò)EDMA模式緩存到乒緩存區，當乒緩存區滿(mǎn)時(shí)，EDMA參數重載，控制切換，將數據緩存至乓緩存區，同時(shí)給出EDMA中斷，通知CPU讀取一幀數據。通過(guò)McBSP接口發(fā)送數據的過(guò)程完全類(lèi)似。
聲碼器通過(guò)DSP的HPI接口與上層處理器連接，實(shí)現數據網(wǎng)分組語(yǔ)音壓縮信號的收發(fā)。在HPI接口中，設計了以太網(wǎng)數據發(fā)送／接收緩存區，并為每個(gè)緩存區設計了RP(Read Pointer，讀指針)和WP(Write Pointer，寫(xiě)指針)，用于控制上層處理器和DSP之間的編碼數據交互。同時(shí)上層處理器通過(guò)HPI接口向聲碼器發(fā)送指令，控制通道的打開(kāi)或關(guān)閉。

　　3 在媒體網(wǎng)關(guān)中的應用設計

　　聲碼器內部的主控程序采用定時(shí)中斷方式訪(fǎng)問(wèn)HPI接口，根據上層處理器的指令打開(kāi)或關(guān)閉通道。同時(shí)主程序使用輪詢(xún)方式處理從E1接口來(lái)的PCM話(huà)音信號；根據相應的通道工作狀態(tài)設置編解碼算法參數，將話(huà)音信號壓縮編碼；編碼后的語(yǔ)音數據，通過(guò)HPI接口輸出到上層處理器，進(jìn)入數字網(wǎng)絡(luò )。使用完全類(lèi)似的輪詢(xún)處理方式，逆向處理從來(lái)自數字網(wǎng)絡(luò )的編碼數據。
由于數字網(wǎng)絡(luò )屬于分組通信，必須有合適的多媒體實(shí)時(shí)流網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議以保證語(yǔ)音的連貫性。在聲碼器的HPI接口控制程序中，設計了一個(gè)提供給上層處理器的 RTP(Real-TIme Transport Protocol，實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議)接口，用于完成編碼和解碼數據包的輸出和輸入及相應的RTP成幀、解幀功能，具體功能設計如下：

　　RTP打包和發(fā)送：RTP包由具有固定格式的包頭和數據部分組成。將編碼后的語(yǔ)音數據，按照RTP打包參數的要求組織RTP頭和RTP凈荷。 RTP包頭中的關(guān)鍵字段為SN(Sequence Number，序列號)和TS(Time Stamp，時(shí)間戳)。SN用于對RTP包進(jìn)行排序。每發(fā)送一個(gè)RTP數據包，SN加1。TS用于標識RTP數據包中第一個(gè)字節采樣時(shí)的時(shí)刻，以語(yǔ)音樣本為單位遞增；對于語(yǔ)音包和靜音壓縮包，TS增值一致。另外，RTP包頭中的PT(Payload Type，負載類(lèi)型)字段用于指示RTP凈荷的數據編碼格式。在RFC3550中規定了標準音頻載荷類(lèi)型：G．729編碼對應的PT為18。

　　由于RTP包頭中沒(méi)有長(cháng)度字段，故對RTP包進(jìn)行了外部擴展：將打好的RTP包作為凈荷，附加上RTP包數據長(cháng)度、通道號，組成“以太網(wǎng)數據包”。針對C6203的32位尋址的HPI總線(xiàn)接口，設計以太網(wǎng)數據包格式如圖2所示。

　　RTP包發(fā)送：即寫(xiě)“以太網(wǎng)數據包”至“以太網(wǎng)數據發(fā)送緩存區”。首先根據該緩存區的讀寫(xiě)指針判斷剩余空間；如寫(xiě)空間不夠，則放棄此次寫(xiě)操作，該數據包同時(shí)被丟棄。如寫(xiě)空間足夠，則將數據包寫(xiě)入發(fā)送緩存區，并更新寫(xiě)指針。上層處理器根據該緩存區的讀寫(xiě)指針判斷該緩存區內是否有新數據，并進(jìn)行讀操作，以及更新讀指針。

　　RTP包接收、排序和緩存：分組通信需要考慮語(yǔ)音的防抖動(dòng)處理。本文通過(guò)設置靜態(tài)抖動(dòng)緩沖區實(shí)現去抖動(dòng)。首先根據“以太網(wǎng)數據接收緩存區”的讀寫(xiě)指針判斷是否有新的數據包到來(lái)，如果有，則將該數據包根據RTP的SN和TS排列在相應通道的RTP緩存隊列中。重復上述過(guò)程直至將“以太網(wǎng)數據接收緩存區”中所有的數據包讀完，然后更新該緩存區的DSP讀指針。對于每個(gè)通道的RTP緩存隊列，當緩存語(yǔ)音數據到達預先定義的閾值K時(shí)，給出標志允許該通道開(kāi)始進(jìn)行語(yǔ)音數據解碼。如果數據分組有抖動(dòng)延遲，則解碼語(yǔ)音可繼續保持K時(shí)間單位不被打斷。

　　4 結語(yǔ)

　　在純匯編并行優(yōu)化的基礎上設計了高效的G．729ab聲碼器；利用TMS320C6203的在片外設McBSP實(shí)現了連接PSTN的標準E1接口；設計了用于分組數據收發(fā)的RTP協(xié)議接口，利用TMS320C6203的HPI接口方式與上層處理器連接，使聲碼器可靈活應用于媒體網(wǎng)關(guān)。