G.723.1語音編碼算法的DSP實(shí)現(xiàn)方案

隨著通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，日益增加的客戶需求量和現(xiàn)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，通過壓縮信源以提高傳輸效率已成為當(dāng)前急需解決的問題之一。為此誕生了許多語音壓縮處理方法，G.723.1語音編碼算法便是ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門)制定的H.324協(xié)議簇首推的標(biāo)準(zhǔn)算法，主要用于低比特率多媒體業(yè)務(wù)的話音或其他音頻信號(hào)分量的壓縮。它是一種雙速率語音編碼標(biāo)準(zhǔn)，其中6.3 kb/s的速率提供了良好的話音質(zhì)量，而5.3kb/s的速率在提供較好通話質(zhì)量的同時(shí)，也為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了更適合的靈活性[1]。
1 算法原理
G.723.1語音編碼算法按幀(Frame)對(duì)語音數(shù)據(jù)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(shù)包括線性預(yù)測系數(shù)、自適應(yīng)碼本的延時(shí)和增益、激勵(lì)脈沖位置、符號(hào)及格點(diǎn)比特等。
　　首先進(jìn)行高通濾波，去掉直流分量；接著把一幀信號(hào)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階線性預(yù)測分析(LPC)，得到各子幀的LPC參數(shù)，把最后一個(gè)子幀的LPC參數(shù)轉(zhuǎn)化成線譜對(duì)(LSP)參數(shù)進(jìn)行矢量量化編碼，送到解碼器。利用未量化的LPC參數(shù)構(gòu)造短時(shí)感知加權(quán)濾波器，信號(hào)濾波后得到感覺加權(quán)的語音信號(hào)。每2個(gè)子幀(120樣點(diǎn))搜索一個(gè)開環(huán)基音值，并以此為依據(jù)為每一個(gè)子幀構(gòu)造一個(gè)諧波噪聲成形濾波器，對(duì)感知加權(quán)的語音信號(hào)進(jìn)行濾波。每一子幀的LPC綜合濾波器、感覺加權(quán)濾波器和諧波噪聲成形濾波器聯(lián)起來，構(gòu)成一個(gè)聯(lián)合濾波器，利用它的沖激響應(yīng)和開環(huán)基音周期，對(duì)每一子幀進(jìn)行閉環(huán)基音搜索，對(duì)開環(huán)搜索的結(jié)果進(jìn)行修正。同時(shí)通過一個(gè)五階基音預(yù)測器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)測，得到相應(yīng)子幀的殘差信號(hào)。最后進(jìn)行固定碼本搜索，也就是對(duì)每一子幀的殘差信號(hào)進(jìn)行矢量量化，對(duì)應(yīng)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，具有較高的重建語音質(zhì)量；編碼速率為5.3kb/d時(shí)，采用代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(ACELP)方法。
　　算法的解碼也是按幀進(jìn)行，主要對(duì)符合ITU-TG.723.1的碼流進(jìn)行解碼，得到相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)語音產(chǎn)生的機(jī)理，合成語音信號(hào)。讀入一幀碼流后，分別進(jìn)行LSP參數(shù)、基音周期和激勵(lì)脈沖信號(hào)解碼，對(duì)LSP參數(shù)插值，然后轉(zhuǎn)化成各子幀的線性預(yù)測系數(shù)，構(gòu)成LPC綜合濾波器。通過基音周期和激勵(lì)脈沖得到每一子幀的殘差信號(hào)，經(jīng)過基音后濾波，輸入到LPC綜合濾波器，產(chǎn)生合成語音信號(hào)。經(jīng)過共振峰后濾波和增益控制，形成高質(zhì)量的重建語音信號(hào)。
2 算法實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
　　在選擇DSP芯片時(shí)，考慮了語音壓縮編碼算法的復(fù)雜度以及運(yùn)算量，并對(duì)DPS芯片本身的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)空間大小、性能價(jià)格比、開發(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(yùn)算處理器TMS320C5416，開發(fā)平臺(tái)是TMS320C5416 DSK。
　　TMS320C5416的單指令周期為6.25ms，每秒執(zhí)行的指令數(shù)為160M，使用了6級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，這些都很適合G.723.1語音編碼算法的實(shí)現(xiàn)。采用一個(gè)40 bitALU、128K×16 bit片內(nèi)RAM(包括64 kB的片內(nèi)DARAM和64 KB的片內(nèi)SARAM)、3個(gè)獨(dú)立的16bit數(shù)據(jù)內(nèi)存總線、1個(gè)程序內(nèi)存總線、3個(gè)McBSP、6信道DMA控制器、1個(gè)8/16 bit并行增強(qiáng)主機(jī)端口接口及2個(gè)16 bit計(jì)時(shí)器[2，3]。
　　在DSK的基礎(chǔ)上，可以搭建出語音開發(fā)硬件系統(tǒng)平臺(tái)，如圖1所示。

　　輸入語音信號(hào)由麥克風(fēng)輸入，經(jīng)過立體聲音頻多媒體數(shù)字信號(hào)編碼芯片PCM3002 A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)，接著送入DSP內(nèi)進(jìn)行編碼壓縮處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓得到重建的語音信號(hào)，最后送入PCM3002 D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，通過耳機(jī)或揚(yáng)聲器得以收聽到。
2.2 算法實(shí)現(xiàn)流程
　　根據(jù)G.723.1算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)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芯片和開發(fā)平臺(tái)；然后進(jìn)行程序運(yùn)行前的硬件配置，主要是配置外設(shè)，打開DMA和McBSP。配置結(jié)束后打開中斷屏蔽控制寄存器，等待中斷的到來。McBSP接收中斷發(fā)生時(shí)，DMA接收PCM3002發(fā)來的數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，并判斷是否滿一幀240個(gè)數(shù)據(jù)。如果不滿幀，就直接等待下一次McBSP接收中斷；如果滿一幀，通過DMA通道3將240個(gè)語音數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)BUFF1，同時(shí)置位新幀標(biāo)志位new_data，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼處理。整個(gè)編解碼結(jié)束后，將得到的一幀240個(gè)合成語音數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)BUFF2中，等待新幀標(biāo)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(qū)的一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送給PCM3002后，判斷是否滿一幀。如果不滿幀，就直接等到下一次McBSP發(fā)送中斷；如果滿一幀，即PCM3002接收到了240個(gè)數(shù)據(jù)，則把BUFF2中新一幀240個(gè)合成語音數(shù)據(jù)復(fù)制到發(fā)送緩沖區(qū)，等待下一次McBSP發(fā)送中斷。
2.3 DSP/BIOS的配置
　　將成功實(shí)現(xiàn)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(xiàn)。DSP/BIOS配置工具主要是設(shè)置DSP/BIOS各個(gè)模塊的參數(shù)和創(chuàng)建API調(diào)用對(duì)象[4]。用DSP/BIOS配置工具，對(duì)象可以被預(yù)先創(chuàng)建和設(shè)置，使用這種方法創(chuàng)建靜態(tài)對(duì)象，不僅可以合理利用內(nèi)存空間、減小代碼長度、優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，還有利于程序編譯前通過驗(yàn)證對(duì)象的屬性預(yù)先發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。
3 程序優(yōu)化
　　實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的編解碼最基本的要求是編解一幀語音信號(hào)的時(shí)間要少于采集一幀語音信號(hào)的時(shí)間，即要求G.723.1的一幀語音編解碼時(shí)間要少于30ms。對(duì)G.723.1標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行時(shí)間評(píng)估時(shí)發(fā)現(xiàn)，一幀的運(yùn)算量大概需要49 M個(gè)時(shí)鐘周期，約為300 ms，這顯然無法在TMS320C5416DSP上實(shí)時(shí)運(yùn)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(xiàn)中的很多運(yùn)算是在循環(huán)內(nèi)完成的，在循環(huán)內(nèi)部特別是嵌套較深的循環(huán)內(nèi)部，減少一條指令可以大大降低程序的操作次數(shù)。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(nèi)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(xiàn)過程中，盡量將內(nèi)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(zhí)行時(shí)間，滿足實(shí)時(shí)性的要求。
　　此外，適當(dāng)選擇循環(huán)指令，如RPT(重復(fù)下條指令)，RPTZ(累加器清零并重復(fù)下條指令)和RPTB(塊重復(fù)指令)等，也能縮短循環(huán)時(shí)間。如RPT允許重復(fù)執(zhí)行緊隨其后的一條指令，由于要重復(fù)的指令只需要取指一次，與利用跳轉(zhuǎn)指令BANZ進(jìn)行循環(huán)相比，效率要高得多。特別是對(duì)于乘累加和數(shù)據(jù)傳送多周期指令(MAC、MVDK 和MVPD等)，在執(zhí)行一次之后就變成了單周期指令，大大提高了執(zhí)行效率。
3.2 使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)
　　CCS提供的內(nèi)聯(lián)函數(shù)集中有一些常用的基本運(yùn)算函數(shù)，如加、飽和加、減、飽和減、長數(shù)乘等。這些函數(shù)可以很方便地被調(diào)用，就像調(diào)用C函數(shù)一樣，只要在函數(shù)名前加一個(gè)“_”，例如_L_SUB(a，b)。這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)是用匯編語句編寫的，編譯時(shí)C編譯器將這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)用對(duì)應(yīng)的匯編語句代替，所以執(zhí)行效率很高。在程序的開始部分頭文件中，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(xiàn)對(duì)“basic.c”中許多基本運(yùn)算函數(shù)的優(yōu)化，提高了執(zhí)行效率。
3.3 使用宏定義
　　在G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)C程序中，所有基本運(yùn)算都以調(diào)用子函數(shù)的形式執(zhí)行。這樣做對(duì)程序的規(guī)范化設(shè)計(jì)有好處，同時(shí)也在很大程度上降低了程序的運(yùn)算效率。將基本運(yùn)算由子函數(shù)調(diào)用改為宏定義可以去掉函數(shù)調(diào)用的開銷，加快運(yùn)算速度，程序的運(yùn)算效率明顯提高。這種優(yōu)化方式會(huì)帶來代碼量的增大，但還是在芯片存儲(chǔ)空間的容許范圍內(nèi)。
3.4 合理使用流水線操作
　　C54芯片具有6級(jí)深度的流水線，可以完成預(yù)取指、取指、譯碼、產(chǎn)生操作數(shù)地址、讀取操作數(shù)和執(zhí)行等6個(gè)操作，這就出現(xiàn)了指令的重疊。然而CPU總線、寄存器資源是有限的，當(dāng)不同級(jí)別的流水線試圖利用同一條總線或訪問同一資源時(shí)，就可能發(fā)生時(shí)序上的沖突。如果流水線沖突，CPU自動(dòng)通過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(zhí)行效率，尤其是當(dāng)NOP指令在循環(huán)內(nèi)部時(shí)，可以節(jié)省不少的開銷。分析程序編譯后生成的匯編語言程序，觀察分析是否可以進(jìn)行優(yōu)化。可以用創(chuàng)建相關(guān)圖，重新分配運(yùn)算單元和寄存器、創(chuàng)建排序表重新調(diào)整指令順序等方法去掉NOP指令，同時(shí)避免流水線沖突。
3.5 優(yōu)化效果
　　G.723.1語音編解碼程序經(jīng)過優(yōu)化保證了該算法在DSP中的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。G.723.1協(xié)議幀長30 ms，另外有7.5 ms的前瞻，故總幀長為37.5ms。在硬件仿真模式下對(duì)整個(gè)程序運(yùn)行進(jìn)行測試，結(jié)果表明，一幀語音信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。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(duì)比分別如表1和表2所示。

　　信噪比是衡量語音編解碼質(zhì)量的客觀標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算時(shí)常用長時(shí)信噪比和短時(shí)(分段)信噪比兩種準(zhǔn)則。短時(shí)(分段)信噪比采用分段(通常是10ms～30ms)的方法來分別計(jì)算每一段語音信號(hào)的信噪比，因此很適合反映量化器對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。
　　設(shè)每段有N個(gè)語音采樣點(diǎn)，則第m段的分段信噪比定義為：
　　
x(n)是原始信號(hào)，y(n)是輸出信號(hào)，N是幀長，M是幀的總數(shù)。
　　本文對(duì)G.723.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，就圖3所示語音信號(hào)計(jì)算其短時(shí)信噪比。圖中總幀數(shù)150幀，幀長為240個(gè)采樣點(diǎn)，按照上式計(jì)算SNR=13.56dB。因此可知G.723.1有較高的短時(shí)信噪比，語音編解碼質(zhì)量較好，得到的語音信號(hào)比較清晰。