采用DSP芯片的MELP聲碼器的算法設(shè)計(jì)方案

4 軟件設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵問題

軟件設(shè)計(jì)包括編碼流程和解碼流程，編碼流程圖如圖3所示。由于解碼過程相對(duì)簡單，故此處只給出編碼流程圖。

此軟件流程設(shè)計(jì)完全按照MELP原理，在實(shí)際編程過程中需要注意以下幾個(gè)關(guān)鍵問題。

圖3 MELP編碼流程圖

⑴存儲(chǔ)器分配問題

由于TMS320VC5416采用雙總線結(jié)構(gòu)，提供了許多多功能指令，在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)要充分考慮到這些特點(diǎn)，盡量用多功能指令，并且合理分配使用各個(gè)寄存器和指針。例如：MAC指令可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘加操作，還可以結(jié)合寄存器的合理安排實(shí)現(xiàn)連續(xù)乘加，而不需要緩存中間數(shù)據(jù)，從而大大提高了運(yùn)算效率。另外，要充分利用TMS320VC5416提供的專用的硬件結(jié)構(gòu)、尋址方式及特殊指令。如：環(huán)形存儲(chǔ)器尋址方式、雙操作數(shù)尋址方式、EXP指令和NORM指令、舍入操作等，恰當(dāng)使用這些方式和指令可以大大提高軟件效率。

⑵ 數(shù)的定標(biāo)

TMS320VC5416采用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，其操作數(shù)一般采用整型數(shù)表示。但它的指令支持小數(shù)模式和整數(shù)模式兩種運(yùn)算模式。對(duì)DSP而言，參與數(shù)值運(yùn)算的數(shù)就是16位的整型數(shù)。在多數(shù)情況下，數(shù)學(xué)運(yùn)算過程中的數(shù)不一定都是整數(shù)，這就需要程序員來確定小數(shù)點(diǎn)的位置，即數(shù)的定標(biāo)。TMS320VC5416中數(shù)的定標(biāo)有兩種表示法：Q表示法和S表示法。在此軟件中用Q表示法表示。

在程序中需要經(jīng)常判斷運(yùn)算結(jié)果是否溢出。TMS320VC5416芯片本身設(shè)有溢出保護(hù)功能，溢出的處理是通過設(shè)置芯片中PMST寄存器的OVM位自動(dòng)執(zhí)行的?？梢栽诔绦虻拈_始就設(shè)置溢出功能有效，一旦出現(xiàn)溢出異常，則累加器ACC的結(jié)果置為最大的飽和值（上溢位7FFFH，下溢位8001H），從而達(dá)到防止溢出引起精度嚴(yán)重惡化的目的。

⑶防止流水線沖突

流水線是TMS320VC5416最具特色的部分，它大大的提高了TMS320VC5416的性能，但當(dāng)DSP資源同時(shí)被不在同一流水線階段的指令使用，或在存取某些寄存器時(shí)容易引起流水線沖突。編譯時(shí)會(huì)編譯器將自動(dòng)插入一個(gè)或幾個(gè)空操作，從而增加了所需的計(jì)算量，降低了軟件效率，因此軟件設(shè)計(jì)開發(fā)中需要避免流水線沖突。

5 測試結(jié)果

目前該編解碼器已通過MELP的全部測試矢量驗(yàn)證。系統(tǒng)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)編解碼時(shí)，經(jīng)過非正式的主觀測試結(jié)果表明，MELP算法的MOS分在3.3左右，其清晰度、自然度和抗噪聲性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LPC算法。表1和2分別給出了在定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5416上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)MELP算法的編解碼器所需的存儲(chǔ)量和計(jì)算量。

從表1可見，程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)總存儲(chǔ)量共25.2K字，由于TMS320VC5416內(nèi)部RAM的大小為128K字，因此，程序boot時(shí)，可以一次將所有程序和數(shù)據(jù)直接搬移到芯片內(nèi)部RAM里運(yùn)行。表2顯示了對(duì)該聲碼器所用資源的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在全雙工時(shí)，最大運(yùn)算量為39.9MIPS，完成滿足實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的要求。

以上分析結(jié)果顯示，單片TMS320VC5416芯片最多可實(shí)現(xiàn)4路語音編解碼，片上剩余的資源還可以實(shí)現(xiàn)其它附加功能。

表1 編解碼器占用存儲(chǔ)器資源

表2 編解碼器運(yùn)算量分析

7 總結(jié)

創(chuàng)新點(diǎn)：本文介紹了混合激勵(lì)線性預(yù)測（MELP）聲碼器算法，簡要分析了該算法的編解碼原理。同時(shí)，本文選用TI公司的TMS320VC5416 DSP芯片進(jìn)行了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，指出了在軟件實(shí)現(xiàn)中需要注意的關(guān)鍵問題。經(jīng)非正式主觀測試結(jié)果表明，該算法自然度、清晰度和抗噪聲性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)LPC算法，適用于短波窄帶數(shù)字保密通信、無線通信等需要低速率的語音編碼場合，具有廣闊的應(yīng)用前景。