G.723.1語(yǔ)音編碼算法的DSP實(shí)現方案

隨著(zhù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò )等技術(shù)的飛速發(fā)展，日益增加的客戶(hù)需求量和現有的通信信道容量之間的矛盾愈發(fā)突出。如何在有限的信道資源下，通過(guò)壓縮信源以提高傳輸效率已成為當前急需解決的問(wèn)題之一。為此誕生了許多語(yǔ)音壓縮處理方法，G.723.1語(yǔ)音編碼算法便是ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標準化部門(mén))制定的H.324協(xié)議簇首推的標準算法，主要用于低比特率多媒體業(yè)務(wù)的話(huà)音或其他音頻信號分量的壓縮。它是一種雙速率語(yǔ)音編碼標準，其中6.3 kb/s的速率提供了良好的話(huà)音質(zhì)量，而5.3kb/s的速率在提供較好通話(huà)質(zhì)量的同時(shí)，也為系統設計者提供了更適合的靈活性[1]。
1 算法原理
G.723.1語(yǔ)音編碼算法按幀(Frame)對語(yǔ)音數據進(jìn)行壓縮和解壓縮，每幀240個(gè)采樣點(diǎn)，壓縮傳遞的參數包括線(xiàn)性預測系數、自適應碼本的延時(shí)和增益、激勵脈沖位置、符號及格點(diǎn)比特等。
　　首先進(jìn)行高通濾波，去掉直流分量；接著(zhù)把一幀信號分成4個(gè)子幀，每個(gè)子幀60個(gè)采樣點(diǎn)，分別進(jìn)行10階線(xiàn)性預測分析(LPC)，得到各子幀的LPC參數，把最后一個(gè)子幀的LPC參數轉化成線(xiàn)譜對(LSP)參數進(jìn)行矢量量化編碼，送到解碼器。利用未量化的LPC參數構造短時(shí)感知加權濾波器，信號濾波后得到感覺(jué)加權的語(yǔ)音信號。每2個(gè)子幀(120樣點(diǎn))搜索一個(gè)開(kāi)環(huán)基音值，并以此為依據為每一個(gè)子幀構造一個(gè)諧波噪聲成形濾波器，對感知加權的語(yǔ)音信號進(jìn)行濾波。每一子幀的LPC綜合濾波器、感覺(jué)加權濾波器和諧波噪聲成形濾波器聯(lián)起來(lái)，構成一個(gè)聯(lián)合濾波器，利用它的沖激響應和開(kāi)環(huán)基音周期，對每一子幀進(jìn)行閉環(huán)基音搜索，對開(kāi)環(huán)搜索的結果進(jìn)行修正。同時(shí)通過(guò)一個(gè)五階基音預測器對信號進(jìn)行預測，得到相應子幀的殘差信號。最后進(jìn)行固定碼本搜索，也就是對每一子幀的殘差信號進(jìn)行矢量量化，對應兩種不同的編碼速率采用兩種不同的方法：編碼速率為6.3kb/s時(shí)，采用多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)的方法，具有較高的重建語(yǔ)音質(zhì)量；編碼速率為5.3kb/d時(shí)，采用代數碼本激勵線(xiàn)性預測(ACELP)方法。
　　算法的解碼也是按幀進(jìn)行，主要對符合ITU-TG.723.1的碼流進(jìn)行解碼，得到相應的參數，根據語(yǔ)音產(chǎn)生的機理，合成語(yǔ)音信號。讀入一幀碼流后，分別進(jìn)行LSP參數、基音周期和激勵脈沖信號解碼，對LSP參數插值，然后轉化成各子幀的線(xiàn)性預測系數，構成LPC綜合濾波器。通過(guò)基音周期和激勵脈沖得到每一子幀的殘差信號，經(jīng)過(guò)基音后濾波，輸入到LPC綜合濾波器，產(chǎn)生合成語(yǔ)音信號。經(jīng)過(guò)共振峰后濾波和增益控制，形成高質(zhì)量的重建語(yǔ)音信號。
2 算法實(shí)現
2.1 硬件設計
　　在選擇DSP芯片時(shí)，考慮了語(yǔ)音壓縮編碼算法的復雜度以及運算量，并對DPS芯片本身的運算能力、存儲空間大小、性能價(jià)格比、開(kāi)發(fā)軟件的完整性等多方面進(jìn)行綜合比較，最終選用TIC54xx系列的定點(diǎn)運算處理器TMS320C5416，開(kāi)發(fā)平臺是TMS320C5416 DSK。
　　TMS320C5416的單指令周期為6.25ms，每秒執行的指令數為160M，使用了6級指令流水線(xiàn)結構，這些都很適合G.723.1語(yǔ)音編碼算法的實(shí)現。采用一個(gè)40 bitALU、128K×16 bit片內RAM(包括64 kB的片內DARAM和64 KB的片內SARAM)、3個(gè)獨立的16bit數據內存總線(xiàn)、1個(gè)程序內存總線(xiàn)、3個(gè)McBSP、6信道DMA控制器、1個(gè)8/16 bit并行增強主機端口接口及2個(gè)16 bit計時(shí)器[2，3]。
　　在DSK的基礎上，可以搭建出語(yǔ)音開(kāi)發(fā)硬件系統平臺，如圖1所示。

　　輸入語(yǔ)音信號由麥克風(fēng)輸入，經(jīng)過(guò)立體聲音頻多媒體數字信號編碼芯片PCM3002 A/D轉換后成為數字信號，接著(zhù)送入DSP內進(jìn)行編碼壓縮處理。處理后的數據經(jīng)過(guò)解壓得到重建的語(yǔ)音信號，最后送入PCM3002 D/A轉換為模擬信號，通過(guò)耳機或揚聲器得以收聽(tīng)到。
2.2 算法實(shí)現流程
　　根據G.723.1算法，設計實(shí)現流程如圖2所示。

　　從流程圖中可以看到，首先關(guān)閉中斷、初始化DSP芯片和開(kāi)發(fā)平臺；然后進(jìn)行程序運行前的硬件配置，主要是配置外設，打開(kāi)DMA和McBSP。配置結束后打開(kāi)中斷屏蔽控制寄存器，等待中斷的到來(lái)。McBSP接收中斷發(fā)生時(shí)，DMA接收PCM3002發(fā)來(lái)的數據并存入緩沖區，并判斷是否滿(mǎn)一幀240個(gè)數據。如果不滿(mǎn)幀，就直接等待下一次McBSP接收中斷；如果滿(mǎn)一幀，通過(guò)DMA通道3將240個(gè)語(yǔ)音數據復制到緩沖區BUFF1，同時(shí)置位新幀標志位new_data，然后對數據進(jìn)行編解碼處理。整個(gè)編解碼結束后，將得到的一幀240個(gè)合成語(yǔ)音數據復制到緩沖區BUFF2中，等待新幀標志位重新置1后進(jìn)行下一幀的編解碼處理。McBSP發(fā)送中斷時(shí)，DMA把發(fā)送緩沖區的一個(gè)數據發(fā)送給PCM3002后，判斷是否滿(mǎn)一幀。如果不滿(mǎn)幀，就直接等到下一次McBSP發(fā)送中斷；如果滿(mǎn)一幀，即PCM3002接收到了240個(gè)數據，則把BUFF2中新一幀240個(gè)合成語(yǔ)音數據復制到發(fā)送緩沖區，等待下一次McBSP發(fā)送中斷。
2.3 DSP/BIOS的配置
　　將成功實(shí)現的算法移植到TI公司提供的TMS320C5416上，采用DSP/BIOS技術(shù)編程實(shí)現。DSP/BIOS配置工具主要是設置DSP/BIOS各個(gè)模塊的參數和創(chuàng )建API調用對象[4]。用DSP/BIOS配置工具，對象可以被預先創(chuàng )建和設置，使用這種方法創(chuàng )建靜態(tài)對象，不僅可以合理利用內存空間、減小代碼長(cháng)度、優(yōu)化數據結構，還有利于程序編譯前通過(guò)驗證對象的屬性預先發(fā)現錯誤。
3 程序優(yōu)化
　　實(shí)時(shí)實(shí)現語(yǔ)音信號的編解碼最基本的要求是編解一幀語(yǔ)音信號的時(shí)間要少于采集一幀語(yǔ)音信號的時(shí)間，即要求G.723.1的一幀語(yǔ)音編解碼時(shí)間要少于30ms。對G.723.1標準算法進(jìn)行時(shí)間評估時(shí)發(fā)現，一幀的運算量大概需要49 M個(gè)時(shí)鐘周期，約為300 ms，這顯然無(wú)法在TMS320C5416DSP上實(shí)時(shí)運行。因此有必要從多方面進(jìn)行優(yōu)化。
3.1 循環(huán)優(yōu)化
　　G.723.1實(shí)現中的很多運算是在循環(huán)內完成的，在循環(huán)內部特別是嵌套較深的循環(huán)內部，減少一條指令可以大大降低程序的操作次數。固定碼本搜索中為了確定四個(gè)脈沖的位置和幅度，用到了四重嵌套循環(huán)，每重循環(huán)8次，在最內層循環(huán)減少一條指令，整個(gè)程序就減少84=4096條指令。因此在G.723.1的實(shí)現過(guò)程中，盡量將內層循環(huán)的指令搬移到外層，外層循環(huán)的指令搬移到整個(gè)循環(huán)體外，從而縮短程序執行時(shí)間，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。
　　此外，適當選擇循環(huán)指令，如RPT(重復下條指令)，RPTZ(累加器清零并重復下條指令)和RPTB(塊重復指令)等，也能縮短循環(huán)時(shí)間。如RPT允許重復執行緊隨其后的一條指令，由于要重復的指令只需要取指一次，與利用跳轉指令BANZ進(jìn)行循環(huán)相比，效率要高得多。特別是對于乘累加和數據傳送多周期指令(MAC、MVDK 和MVPD等)，在執行一次之后就變成了單周期指令，大大提高了執行效率。
3.2 使用內聯(lián)函數
　　CCS提供的內聯(lián)函數集中有一些常用的基本運算函數，如加、飽和加、減、飽和減、長(cháng)數乘等。這些函數可以很方便地被調用，就像調用C函數一樣，只要在函數名前加一個(gè)“_”，例如_L_SUB(a，b)。這些內聯(lián)函數是用匯編語(yǔ)句編寫(xiě)的，編譯時(shí)C編譯器將這些內聯(lián)函數用對應的匯編語(yǔ)句代替，所以執行效率很高。在程序的開(kāi)始部分頭文件中，用#include“intrindefs.h”，代替#include“basic.h”，就是把文件“basic.c”從工程中去掉，從而實(shí)現對“basic.c”中許多基本運算函數的優(yōu)化，提高了執行效率。
3.3 使用宏定義
　　在G.723.1標準的定點(diǎn)C程序中，所有基本運算都以調用子函數的形式執行。這樣做對程序的規范化設計有好處，同時(shí)也在很大程度上降低了程序的運算效率。將基本運算由子函數調用改為宏定義可以去掉函數調用的開(kāi)銷(xiāo)，加快運算速度，程序的運算效率明顯提高。這種優(yōu)化方式會(huì )帶來(lái)代碼量的增大，但還是在芯片存儲空間的容許范圍內。
3.4 合理使用流水線(xiàn)操作
　　C54芯片具有6級深度的流水線(xiàn)，可以完成預取指、取指、譯碼、產(chǎn)生操作數地址、讀取操作數和執行等6個(gè)操作，這就出現了指令的重疊。然而CPU總線(xiàn)、寄存器資源是有限的，當不同級別的流水線(xiàn)試圖利用同一條總線(xiàn)或訪(fǎng)問(wèn)同一資源時(shí)，就可能發(fā)生時(shí)序上的沖突。如果流水線(xiàn)沖突，CPU自動(dòng)通過(guò)指令延遲的方法解決，有些沖突指令延遲后可以避免，有些則不能避免，需要在指令中間加入NOP空指令才能解決。但這樣消耗了額外的時(shí)鐘周期。重新安排指令順序有時(shí)可以避免沖突，提高程序執行效率，尤其是當NOP指令在循環(huán)內部時(shí)，可以節省不少的開(kāi)銷(xiāo)。分析程序編譯后生成的匯編語(yǔ)言程序，觀(guān)察分析是否可以進(jìn)行優(yōu)化?？梢杂脛?chuàng )建相關(guān)圖，重新分配運算單元和寄存器、創(chuàng )建排序表重新調整指令順序等方法去掉NOP指令，同時(shí)避免流水線(xiàn)沖突。
3.5 優(yōu)化效果
　　G.723.1語(yǔ)音編解碼程序經(jīng)過(guò)優(yōu)化保證了該算法在DSP中的實(shí)時(shí)實(shí)現。G.723.1協(xié)議幀長(cháng)30 ms，另外有7.5 ms的前瞻，故總幀長(cháng)為37.5ms。在硬件仿真模式下對整個(gè)程序運行進(jìn)行測試，結果表明，一幀語(yǔ)音信號的編解碼在5.3 kb/s模式下需要3 402 338clocks，約20.3 ms；在6.3 kb/s模式下需要5 134 901 clocks，約22.83 ms，均低于算法要求的30ms，在TMS320VC5416上最終完成了G.723.1標準的實(shí)時(shí)實(shí)現。其中各主要模塊和主要代碼段在優(yōu)化前后占用周期和空間的對比分別如表1和表2所示。

　　信噪比是衡量語(yǔ)音編解碼質(zhì)量的客觀(guān)標準，計算時(shí)常用長(cháng)時(shí)信噪比和短時(shí)(分段)信噪比兩種準則。短時(shí)(分段)信噪比采用分段(通常是10ms～30ms)的方法來(lái)分別計算每一段語(yǔ)音信號的信噪比，因此很適合反映量化器對不同電平輸入段的量化質(zhì)量。本文采用短時(shí)(分段)信噪比作為衡量標準。
　　設每段有N個(gè)語(yǔ)音采樣點(diǎn)，則第m段的分段信噪比定義為：
　　
x(n)是原始信號，y(n)是輸出信號，N是幀長(cháng)，M是幀的總數。
　　本文對G.723.1標準進(jìn)行測試，就圖3所示語(yǔ)音信號計算其短時(shí)信噪比。圖中總幀數150幀，幀長(cháng)為240個(gè)采樣點(diǎn)，按照上式計算SNR=13.56dB。因此可知G.723.1有較高的短時(shí)信噪比，語(yǔ)音編解碼質(zhì)量較好，得到的語(yǔ)音信號比較清晰。