IP電話(huà)中的低速率語(yǔ)音編解碼器的實(shí)現

摘要：G.729.A在TMS320C6201DSP上的實(shí)現方法及提高G.729.A編碼器的運行速度的優(yōu)化方法和編程技巧。并介紹了該編碼器的測試結果。

關(guān)鍵詞：ITU-T G.729.A IP電話(huà) 編碼器

最近幾年，IP電話(huà)技術(shù)突飛猛進(jìn)，已從當初PC到PC的機連接方式發(fā)展到IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)方式，通過(guò)IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)可以將PBX與因特網(wǎng)連接起來(lái)，從而實(shí)現普通話(huà)機通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行通信。因此，IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)是近年來(lái)計算機和通信領(lǐng)域中研究的一個(gè)熱點(diǎn)。IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的一個(gè)最主要性能指標是它的處理密度（即能同時(shí)算是的話(huà)路數）。而IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的處理密度主要取決于它所使用的語(yǔ)音編解碼器處理一幀數據的延遲大小。目前，IP電話(huà)所遵循的標準是H.323，而H.323標準首選語(yǔ)音編碼器是ITU-T G.729.A。ITU-T G.729.A是用于語(yǔ)音和其它聲音信號的壓縮編解碼算法建議，它是G.729的簡(jiǎn)化版本，編碼速率為8Kbps，并且有很高的語(yǔ)音質(zhì)量。但是，該編碼器的算法復雜，一幀語(yǔ)音的處理延遲較大，在很大程度上影響IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的處理密度。因此，為了提高IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的處理密度，本文在實(shí)現ITU-T G.729.A語(yǔ)音編解碼器時(shí)，采用了目前性能最好的DSP，即TMS320C6201；針對TMS320C6201并行性和流水等特點(diǎn)，深入研究了在TMS320C6201上實(shí)現G.729.A的編解碼器的編程技巧；歸納出一系列減少編解碼器處理延遲的優(yōu)化方法。采用這些優(yōu)先方法和編程技巧，可以將ITU-T G.729.A的每幀編碼運行時(shí)間減少到0.47毫秒（按TMS320C6201工作在200MHz計算），從而可以實(shí)現單片TMS320C6201能同時(shí)處理20路路語(yǔ)音。這一指標已到達了國際上最先進(jìn)的水平；而且，該編解碼器已成功地運用在筆者開(kāi)發(fā)的IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)中。

1 G.729.A編解碼器的算法

1.1 編碼算法

ITU-T G.729.A標準采用一種稱(chēng)為共軛結構代數碼本激勵線(xiàn)性預測（Conjugate Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction,CS-ACELP）算法來(lái)對語(yǔ)音信號進(jìn)行編碼。

在開(kāi)始編碼之前，先要對輸入的模擬信號進(jìn)行電話(huà)帶濾波，然后以8kHz頻率對其進(jìn)行采樣，再將其轉換為16位線(xiàn)性PCM碼，作為編碼器的輸入。

編碼器處理語(yǔ)音的單位是幀，1幀為10毫秒語(yǔ)音，包括80個(gè)聲音樣本（采樣頻率為8kHz）。編碼器對每一幀語(yǔ)音信號進(jìn)行分析，抽取出其中的CPLD模型的參數（線(xiàn)性預測濾器參數），自適應和固定碼本索引和增益），對這些參數進(jìn)行編碼和傳送。其編碼過(guò)程如圖1所示。

在預處理階段，輸入信號經(jīng)高通濾波并乘以比例因子，然后對每一幀預處理之后的信號進(jìn)行一次線(xiàn)性預測分析，計算出線(xiàn)性預測濾波器系數，其中，線(xiàn)性預測濾波器系數定義為：。這些系數被轉化成線(xiàn)譜對（LSP，Line Spectrum Pairs）并用可預測二階矢量量化法量化成18位。使用合成分析搜索過(guò)程選定激勵信號，使得原始信號和重構信號之間的誤差在感覺(jué)加權失真測量中最小。

對每個(gè)子幀（5毫秒，包括40個(gè)樣本）求出其激勵參數（固定和自適應碼本參數）。本幀的量化和未量化的線(xiàn)性插值系數。每一幀根據感覺(jué)加權語(yǔ)音信號估計出開(kāi)環(huán)基音延遲。多面手對每一子幀進(jìn)行以下操作：將線(xiàn)性預測殘差通過(guò)加權合成濾波器的沖擊響應h(n)，使用目標信號x(n)和沖擊響應h(n)在開(kāi)環(huán)基音延迂回通過(guò)周?chē)阉?，并進(jìn)行閉環(huán)基音分析（得出自適應碼本延遲和增益）。第一個(gè)子幀的基音延遲編碼為8位，第二個(gè)子幀采用差分方法編碼為5位。通過(guò)減去（濾波后的）自適應碼本貢獻來(lái)更新目標信號x(n)，新目標x'(n)在固定碼本搜索中使用以找到最優(yōu)激勵。固定碼本激勵使用一個(gè)17位的代數碼本。自適應和固定碼本的獻增益被矢量量化為7位（對固定碼本增益使用移動(dòng)平均預測方法）。最后，得到的激勵信號被用來(lái)更新濾波器狀態(tài)。所有這些參數最后封裝到80位的壓縮數據幀中。

1.2 解碼算法

解碼算法

解碼器算法框圖如圖2所示。

首先，從壓縮比特流中取得各參數的索引，再從這些索引中得出一幀語(yǔ)音的編碼器參數，包括LSP系數、2個(gè)部分基音延遲、2個(gè)固定碼本向量、2套自適應和固定碼本延遲，這些參數被用來(lái)生成激勵信號并合成濾波器參數。LSP系數經(jīng)插值后，形成每個(gè)子幀的LP濾波器。然后，對每個(gè)子幀進(jìn)行如下處理：

·自適應和固定碼本向量乘以各自的增益系數得到激勵信號；

·激勵信號經(jīng)過(guò)線(xiàn)性預測合成濾波器得到重構的語(yǔ)音；

·重構后的語(yǔ)音信號再經(jīng)過(guò)一個(gè)后處理階段，包括基于長(cháng)時(shí)和短時(shí)合成濾波器的自適應濾波器，然后再經(jīng)過(guò)高通濾波器并乘以相應的比例因子。

2 ITU-T G.729.A編解碼器實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ITU-T G.729.A編解碼器實(shí)現的硬件平臺

ITU-T G.729.A編解碼器實(shí)現平臺是筆者開(kāi)發(fā)的一種集成式IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)。這種集成式IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的設計思想是以PC機為基礎，集成了市場(chǎng)通用板卡，如LSI/C6200DSP資源卡、Dialogic的語(yǔ)音卡和網(wǎng)關(guān)等，并以這些板卡為硬件平臺，按照相關(guān)協(xié)議，開(kāi)發(fā)出一套IP網(wǎng)關(guān)軟件。集成式IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的硬件基本結構如圖3所示。其中G.729.A編解碼器是由LSI/C6200資源卡上的TMS320C6201 DSP來(lái)實(shí)現。

TMS320C6201 DSP是美國TEXAS INSTRUMENT公司生產(chǎn)的目前處理速度最快的定點(diǎn)數字信號處理器，TMS320C6201 DSP采用VLIW（Very Long Instruction Word）體系結構，其工作頻率最高可達200MHz，內部有1600MIPS[4]。另外，TMS320C6201 DSP分別提供了64KB的內部程序RAM和數據RAM，片外存儲器可擴展到4GB，可連接SDRAM、SBSRAM和Flash Memory。TMS320C6201 DSP還提供了豐富的外圍電路接口，如：Scbus語(yǔ)音總線(xiàn)、MVIP語(yǔ)音總線(xiàn)、HOST接口以及JTAG口等。

2.2 ITU-T G.729.A軟件模塊的設計

G.729.A編解碼器運行的硬件平臺是TMS320C6201DSP，支持SPOX。SPOX是一種功能很強的實(shí)時(shí)操作系統。在SPOX操作系統的調度下，可對多路語(yǔ)音進(jìn)行適時(shí)的語(yǔ)音壓縮和解碼。G.729.A編解碼器件主要由調度及命令解釋模塊、G.729.A數據壓縮與解壓縮模塊和接口模塊三部分組成。

（1）調度及命令解釋模塊

該模塊主要用于解釋HOST發(fā)來(lái)的各種命令，如發(fā)送或接收編解碼數據，查詢(xún)編解碼狀態(tài)以及啟動(dòng)、停止編解碼操作等，該模塊不直接與HOST打交道，而是以SPOX提供的服務(wù)方式，通過(guò)接口功能模塊間接地實(shí)現與HOST之間數據交換。同時(shí)在SPOX的支持下，完成對多路語(yǔ)音編解碼的適時(shí)調度。

（2）G.729.A數據壓縮與解壓縮模塊

該模塊是ITU-T G.729.A編解碼器的核心模塊，在很大程序上影響編解碼的性能。該模塊實(shí)現了ITU-T G.729.A全部功能。該部分已單獨形成一個(gè)TMS320C6201函數庫，可與其他任何部分連接。

（3）接口模塊

該模塊主要實(shí)現TMS320C6201與HOST以及與語(yǔ)音卡之間的數據交換，因此該模塊分成兩部分。一部分主要負責TMS320C6201 DSP與語(yǔ)音卡之間的數據傳輸，它負責不斷地將語(yǔ)音卡采取的語(yǔ)音數據通過(guò)語(yǔ)音總線(xiàn)（如SCbus），采取等時(shí)通信方式送入到LSI/PCI6200資源卡RAM中，或者是將編解碼器解碼后的數據經(jīng)SCbus總線(xiàn)送給語(yǔ)音卡。另一部分主要負責TMS320C6201 DSP與HOST之間的數據交換，一方面要將壓縮后的語(yǔ)音信號由PCI總線(xiàn)送往HOST；另一方面將HOST解包的碼流分類(lèi)后讀入編解碼器。編解碼器與HOST之間的數據交換采用中斷方式進(jìn)行同步。

2.3 ITU-T G.729.A標準在TMS320C6201上實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)

處理密度是衡量IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)性能好壞的一個(gè)重要指標。而一個(gè)IP電話(huà)網(wǎng)你在硬件平臺確定的情況下，其處理密度主要取決于它所采用的編解碼器的語(yǔ)音編碼處理延遲，即代碼的執行速度。如何提高G.729.A語(yǔ)音編碼的執行速度是G.729.A編解碼器實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。這此，歸納出一系列編程技巧和優(yōu)優(yōu)方法，較好地解決了這一難題。

（1）G.729.A標準中規定的算法都是基本算法。因此，在實(shí)現時(shí)，可以用快速算法。例如，相關(guān)系數的計算，在G.729.A標準中使用一種最基本的計算方法，如果采用快速的傅里葉變換技術(shù)或采用分解因子的計算方法，就可以加快計算速度。

（2）算法中有很多FIR和IIR運算，如：共振峰濾波器、聽(tīng)覺(jué)加權濾波器、聯(lián)合濾波器等，在設計這些濾波器時(shí)，使用較大數組來(lái)放濾波器的系數。這樣，每計算一次輸出，不需系數更新移位，從而可以減少內存操作次數，因此可以通過(guò)犧牲存儲器空間來(lái)提高代碼的執行速度。如：共振峰濾波器是十階濾波器，常規的實(shí)現方法是設置一個(gè)長(cháng)度為10元素的一維數組來(lái)保存最近的10個(gè)共振峰樣本點(diǎn)。濾波器每輸出一個(gè)樣本點(diǎn)，該數組就需更新一次。對于一個(gè)子幀40個(gè)樣本點(diǎn)，就需進(jìn)行40次更新操作。如設置長(cháng)度為70元素的一組數組，就可以免去更新操作?？梢院艽蟪潭鹊夭僮鞔a的運行速度。

（3）多使用指針，盡量減少變量之間的反復拷貝操作。

（4）用查詢(xún)靜態(tài)表的方法來(lái)代替動(dòng)態(tài)的計算，從而減少計算延遲。例如，在設計cos()函數時(shí)，程序在初始化時(shí)就生成一個(gè)512項的cos（）函數表。當需要計算cos（）函數值時(shí)，可以采用查表方式來(lái)代替動(dòng)態(tài)計算。

（5）內存單元的合理分配。TMS320C6201 DS的片內存儲器有64KB數據存儲器。由于TMS320C6201從片內存儲器讀入一個(gè)字比從片外存儲器讀入一個(gè)字快14倍，因此在編程時(shí)，盡量將經(jīng)常使用的數據分配在片內存儲器中。

（6）G.729.A在TMS320C6201上定點(diǎn)實(shí)現時(shí)，數據精度也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在定點(diǎn)信號處理芯片上實(shí)現某些浮點(diǎn)算法時(shí)，可以采取定點(diǎn)數來(lái)表示浮點(diǎn)數，這樣可以加快運行速度，但可能導致運算精度不夠。解決的方法是在精度要求比較高的地方，可以將計算的中間變量用32位表示，甚至用40位表示。

（7）充分利用TMS320C6201的編譯器和優(yōu)化工具來(lái)優(yōu)化C和線(xiàn)性匯編代碼，并合理地選擇優(yōu)化參數。有關(guān)速度的優(yōu)化參數是：-o3、-pm、-mt、mi等。并盡量用TMS320C6201的線(xiàn)性匯編或匯編語(yǔ)音來(lái)實(shí)現G.729.A編解碼器的算法。

（8）充分利用TMS320C6201的特點(diǎn)來(lái)編寫(xiě)代碼。如流水功能，8個(gè)功能單元并行操作功能，32位字讀寫(xiě)功能以及Intrinsics的使用等，例如：對多重循環(huán)，如最內層循環(huán)次數少而較簡(jiǎn)單，可把最內層循環(huán)展開(kāi)，以便外循環(huán)做流水線(xiàn)；對一些簡(jiǎn)單循環(huán)而前后沒(méi)有因果關(guān)系，合并這些循環(huán)也有利于做流水線(xiàn)。

3 性能測試

分別用二種測試工具對G.729.A編解碼器的處理延遲作了測試。第一種測試工具是C6X Simulator(TMS320C6201的仿真軟件)，測試條件是假設所有代碼裝在TMS320C6201片同的程序存儲器中；因此，稱(chēng)之為Non cache測試模式。另外一種測試方式是采用TI公司的C6X的EVM卡（評估卡），測試條件是將TMS320C6201片內64KB RAM作為Cache使用；因此稱(chēng)之為cache模式。二種測試模式的測試結果如表1所示。

表1 G.729.A編解碼的時(shí)鐘數

從表1可以看出，如果TMS320C6201工作在頻率為200MHz，即每Cycles的周期為0.5毫秒，可以算出G.729.A編碼一幀（30毫秒）的延遲時(shí)間是0.43～0.46毫秒。因此說(shuō)，單片TMS320C6201可以同時(shí)處理大約20路G.729.A編碼（當前國際最高水平是22路）；而且，編解碼的結果都嚴格地通過(guò)了G.729.A提供的測試矢量的測試，實(shí)際播放音質(zhì)也很好。

ITU-T G.729.A語(yǔ)音信號壓縮編解碼技術(shù)集成了眾多低速率語(yǔ)音編解碼的優(yōu)點(diǎn)，大大提高了低速率編解碼的語(yǔ)音質(zhì)量，但算法較復雜。而TMS320C6201 DSP是目前最快的定點(diǎn)數字信號處理器，如果在編寫(xiě)程序時(shí)，能充分利用上述關(guān)鍵技術(shù)，就可以充分發(fā)揮TMS320C6201的功能，大大減少G.729.A編解碼的處理延遲，并能保持良好的語(yǔ)音品質(zhì)。將該編解碼應用在該IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)中，在很大程度上提高了IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)處理密度，改善了IP電話(huà)網(wǎng)關(guān)的性能。因此說(shuō)，本文實(shí)現的G.729.A編解碼器有很大的應用價(jià)值。