基于TMS320VC5416的自適應(yīng)變速率聲碼器
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清華大學(xué)自主開發(fā)的正弦激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（ＳＥＬＰ）系列低速率語音編碼算法由于采用了合理的激勵(lì)模型，在２．４ｋｂｐｓ、１．２ｋｂｐｓ和０．６ｋｂｐｓ三個(gè)速率上都具有很好的重建語音質(zhì)量。其中，２．４ｋｂｐｓ速率算法的重建語音質(zhì)量與國際上流行的相同速率的高質(zhì)量ＡＭＢＥ算法相當(dāng)，０．６ｋｂｐｓ算法重建語音的可懂度也能達(dá)到９０％以上，十分適合應(yīng)用在各種軍用語音通信系統(tǒng)中。 本文詳細(xì)介紹了利用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６ ＤＳＰ實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)變速率ＳＥＬＰ聲碼器。該聲碼器可根據(jù)不同的速率要求自動(dòng)實(shí)時(shí)地切換到不同速率的算法進(jìn)行語音通信，具有很好的通用性和靈活性。
１ 聲碼器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理 聲碼器通信系統(tǒng)是建立在通用的ＭＯＤＥＭ平臺(tái)上的，可以按照２．４ｋｂｐｓ、１．２ｋｂｐｓ和０．６ｋｂｐｓ中的任一個(gè)速率實(shí)現(xiàn)全雙工語音通信。圖１為整個(gè)通信系統(tǒng)的原理框圖。 ＭＯＤＥＭ平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字碼流進(jìn)行調(diào)制解調(diào)和通信，聲碼器則負(fù)責(zé)按照ＭＯＤＥＭ的要求對(duì)語音進(jìn)行編解碼。ＭＯＤＥＭ把話筒提供的模擬語音送給聲碼器編碼并將聲碼器的解碼語音送給聽筒。ＭＯＤＥＭ還負(fù)責(zé)給聲碼器提供碼流傳送時(shí)鐘，聲碼器則按照這個(gè)時(shí)鐘與ＭＯＤＥＭ交換數(shù)字碼流。另外，ＭＯＤＥＭ和聲碼器之間還有一些控制信號(hào)線用來彼此交換狀態(tài)信息。表１是ＭＯＤＥＭ和聲碼器之間的主要接口關(guān)系。表1 MODEM和聲碼器的主要接口 名 字方 向功 能 AinMODEM至聲碼器模擬語音輸入Aout聲碼器至MODEM模擬語音輸出CLKMODEM至聲碼器碼流傳送時(shí)鐘，聲碼器按照CLK的頻率進(jìn)行編解碼TXD聲碼器至MODEM聲碼器至MODEM的數(shù)據(jù)線，在CLK的下降沿有效RXDMODEM至聲碼器MODEM至聲碼器的數(shù)據(jù)線，在CLK的上升沿有效PTTMODEM至聲碼器PCM碼有效標(biāo)志RTS聲碼器至MODEM發(fā)送碼流有效標(biāo)志CDMODEM至聲碼器接收碼流有效標(biāo)志雖然ＭＯＤＥＭ可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)條件和外界要求自動(dòng)改變速率，但是卻沒有專門的信號(hào)線用來通知聲碼器進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換。注意到碼流傳送時(shí)鐘ＣＬＫ是根據(jù)速率要求實(shí)時(shí)變化的，所以聲碼器通過檢測(cè)ＣＬＫ的頻率就可以得到當(dāng)前的速率轉(zhuǎn)換信息。 聲碼器的核心部分是一片ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６ ＤＳＰ芯片，負(fù)責(zé)編解碼和控制工作。另外，還有一片ＴＩ公司生產(chǎn)的ＴＬＣ３２０ＡＩＣ１０芯片，負(fù)責(zé)語音的數(shù)模／模數(shù)（ＡＤ／ＤＡ）轉(zhuǎn)換；一片ＦＰＧＡ，負(fù)責(zé)數(shù)字邏輯轉(zhuǎn)換；一片２Ｍｂｉｔ容量的８位ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器２９ＬＶ０２０，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)所有程序和數(shù)據(jù)并在上電時(shí)加載到ＤＳＰ的片內(nèi)ＲＡＭ上。聲碼器還有一個(gè)軟件狗對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在需要時(shí)對(duì)整個(gè)聲碼器進(jìn)行復(fù)位。圖２是聲碼器的原理框圖。 當(dāng)ＭＯＤＥＭ需要聲碼器進(jìn)行編碼時(shí)，它通過ＰＴＴ信號(hào)通知聲碼器，并同時(shí)向聲碼器發(fā)送模擬語音信號(hào)。聲碼器利用其中的ＡＤ／ＤＡ芯片將其采樣量化為ＰＣＭ數(shù)字信號(hào)送給ＤＳＰ，ＤＳＰ則根據(jù)ＭＯＤＥＭ提供的時(shí)鐘信號(hào)ＣＬＫ的頻率選擇不同速率的編碼算法對(duì)輸入ＰＣＭ信號(hào)進(jìn)行編碼，然后把碼流通過ＴＸＤ送回給ＭＯＤＥＭ，并同時(shí)通過ＲＴＳ信號(hào)通知ＭＯＤＥＭ碼流有效，ＭＯＤＥＭ就可以將碼流進(jìn)行調(diào)制并發(fā)送。接收時(shí)，
也是由ＭＯＤＥＭ解調(diào)出碼流后按照ＣＬＫ的頻率通過ＲＸＤ發(fā)給聲碼器，并同時(shí)通過ＣＤ信號(hào)通知聲碼器碼流有效，聲碼器則對(duì)接收的碼流進(jìn)行解碼，并利用ＡＤ／ＤＡ將解碼后的ＰＣＭ語音轉(zhuǎn)換為模擬語音信號(hào)送回ＭＯＤＥＭ。據(jù)此就可以設(shè)計(jì)出聲碼器的工作流程，如圖３所示。 其中的幀同步捕捉指的是對(duì)接收到的碼流的分幀工作，因?yàn)椋樱牛蹋惺腔趲Y(jié)構(gòu)的編解碼算法，所以在解碼之前需要先利用幀同步算法捕捉到每幀的起始位置。這里采用的是基于計(jì)數(shù)器的幀同步捕捉算法。 另外，由于聲碼器的碼流收發(fā)都是按照ＣＬＫ頻率連續(xù)進(jìn)行的，而基于幀結(jié)構(gòu)的ＳＥＬＰ編解碼器對(duì)碼流的輸入輸出卻是每幀進(jìn)行一次的，所以對(duì)于發(fā)送和接收碼流都需要設(shè)置循環(huán)緩沖區(qū)并對(duì)每個(gè)緩沖區(qū)設(shè)置一讀一寫兩個(gè)指針。這兩個(gè)指針間的距離應(yīng)大于一倍幀長。但由于聲碼器中給ＡＤ／ＤＡ提供采樣時(shí)鐘的晶振有一定誤差，所以導(dǎo)致這兩個(gè)指針移動(dòng)速度不同。以輸入碼流緩沖區(qū)為例，其讀指針應(yīng)由ＳＥＬＰ編碼器控制，而編碼器被調(diào)用的頻率由本地晶振的頻率決定，所以讀指針的移動(dòng)速度由本地晶振控制。寫指針則是由碼流輸入部分控制，其移動(dòng)速度實(shí)際上是由對(duì)方的解碼速度決定的，也就是受對(duì)方聲碼器的晶振控制。所以在編碼后和解碼前都需要進(jìn)行指針調(diào)整，也就是檢查碼流緩沖區(qū)的讀寫指針間距，并根據(jù)需要丟棄一幀或復(fù)制一幀。 聲碼器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中的主要難點(diǎn)在于硬件接口的設(shè)計(jì)和ＦＬＡＳＨ上電加載部分，下面分別進(jìn)行介紹。 ２ 硬件接口的設(shè)計(jì) ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６片上有三個(gè)多通道緩沖串口（ＭＣＢＳＰ），每個(gè)ＭＣＢＳＰ都可以作為串口使用或被初始化成通用Ｉ／Ｏ口使用。其中，ＭＣＢＳＰ０按照串口的工作方式與ＡＤ／ＤＡ相連，這部分比較簡(jiǎn)單，按照典型的連接方式即可實(shí)現(xiàn)。但是碼流收發(fā)部分則不同，因?yàn)檫@部分只有一根同步時(shí)鐘線ＣＬＫ和輸入輸出兩根數(shù)據(jù)線，所以很難直接利用ＭＣＢＳＰ按串口方式實(shí)現(xiàn)收發(fā)。于是把ＭＣＢＳＰ１初始化成通用Ｉ／Ｏ，將ＲＸＤ與Ｉ／Ｏ口輸入腳ＤＲ１相連，ＴＸＤ與Ｉ／Ｏ口的輸出腳ＤＸ１相連，將ＣＬＫ與初始化為Ｉ／Ｏ口的輸入腳ＦＳＲ１相連。這樣在程序中就可以很方便地隨時(shí)讀寫這三根信號(hào)線，再將時(shí)鐘中斷的頻率設(shè)為５０ｋＨｚ（遠(yuǎn)高于ＣＬＫ可能出現(xiàn)的最高頻率２．４ｋＨｚ），就可以在時(shí)鐘中斷中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)ＣＬＫ的變化。若發(fā)現(xiàn)ＣＬＫ的上升沿則讀取ＲＸＤ的狀態(tài)并存入碼流接收緩沖區(qū)，若發(fā)現(xiàn)ＣＬＫ的下降沿則從碼流發(fā)送緩沖區(qū)取出１ｂｉｔ送至ＴＸＤ。這樣就成功地實(shí)現(xiàn)了碼流的收發(fā)。 ＭＣＢＳＰ１被初始化為通用Ｉ／Ｏ后一共能提供６根Ｉ／Ｏ引腳線，除去碼流收發(fā)占用的３根之外還有３根，正好可以用來連接ＰＴＴ、ＲＴＳ和ＣＤ信號(hào)線。這樣，就可以在占用最少的ＤＳＰ資源的情況下實(shí)現(xiàn)碼流收發(fā)和控制功能。 另一個(gè)主要問題就是速率的自適應(yīng)問題，也就是說，聲碼器必須能夠根據(jù)ＣＬＫ的頻率自動(dòng)選擇合適的編解碼算法。在上述連接方式下，這個(gè)問題也就很容易解決了，只需設(shè)立一個(gè)計(jì)數(shù)器，對(duì)ＣＬＫ的每個(gè)周期中發(fā)生的時(shí)鐘中斷個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)即可。這樣，根據(jù)計(jì)數(shù)值就可以很方便地計(jì)算出ＣＬＫ的頻率。例如，時(shí)鐘中斷的頻率是５０ｋＨｚ，那么當(dāng)ＣＬＫ的頻率是２．４ｋＨｚ時(shí)，計(jì)數(shù)器的值就應(yīng)該在５０／２．４＝２０．８左右，當(dāng)ＣＬＫ的頻率是１．２ｋＨｚ時(shí)，則在４１．７左右；當(dāng)ＣＬＫ的頻率是０．６ｋＨｚ時(shí)，則在８３．３左右。從圖２的流程中可以看出，在程序初始化前就需要檢測(cè)ＣＬＫ頻率，并根據(jù)ＣＬＫ的頻率選擇合適的編解碼算法，進(jìn)行相應(yīng)的初始化。在程序的執(zhí)行過程中也要對(duì)ＣＬＫ的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，若發(fā)現(xiàn)頻率改變就立即重新初始化聲碼器。這樣就能夠保證聲碼器實(shí)時(shí)地跟蹤ＣＬＫ的變化，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)速率切換。 對(duì)于軟件狗所需的周期變化信號(hào)，則通過ＤＳＰ上的輸出引腳ＸＦ給出，并在程序中及時(shí)翻轉(zhuǎn)ＸＦ的電平得到。 ３ 上電加載部分（Ｂｏｏｔｌｏａｄ）的實(shí)現(xiàn) ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６ ＤＳＰ片內(nèi)ＲＯＭ中有固化的自加載程序（Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ），但它對(duì)被加載程序的大小有限制。在使用８ｂｉｔ ＦＬＡＳＨ的情況下，只能加載小于１６ＫＷｏｒｄ的內(nèi)容。而三個(gè)速率的ＳＥＬＰ算法程序區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)的總數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過１６ＫＷｏｒｄ，顯然只使用ＤＳＰ片內(nèi)的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ是不能滿足需要的。所以必須自己寫加載程序。首先由ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６片內(nèi)的Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ把自己寫的加載程序加載到片內(nèi)ＲＡＭ，然后執(zhí)行這段加載程序，加載其它部分。這里需要解決的一個(gè)主要問題就是ＦＬＡＳＨ數(shù)據(jù)和ＤＳＰ地址空間的映射關(guān)系。由于ＳＥＬＰ算法的程序數(shù)據(jù)總量很大，所以必須用到片內(nèi)擴(kuò)展的程序區(qū)，也就是說ＭＰ／ＭＣ標(biāo)志位需設(shè)為０。從此時(shí)的Ｍｅｍｏｒｙ Ｍａｐ中可以看出，ＤＳＰ可以訪問的每塊連續(xù)片外地址空間只有３２Ｋ，所以ＦＬＡＳＨ數(shù)據(jù)只能按照每頁３２Ｋ的方式分頁映射到ＤＳＰ地址空間。使用ＦＰＧＡ可以很方便地控制哪頁ＦＬＡＳＨ數(shù)據(jù)映射到ＤＳＰ中，這部分的原理框圖如圖４所示。
ＦＬＡＳＨ的低１５根地址線Ａ０～Ａ１４直接接到ＤＳＰ上，而高３根地址線Ａ１５～Ａ１７則由ＦＰＧＡ控制。在ＤＳＰ向Ｉ／Ｏ空間的特定地址寫數(shù)時(shí)，ＦＰＧＡ內(nèi)部的邏輯電路就會(huì)將Ｄ０～Ｄ２（也就是所寫數(shù)據(jù)的低３位）鎖存到Ａ１５～Ａ１７上。這樣就實(shí)現(xiàn)了軟件控制ＦＬＡＳＨ數(shù)據(jù)映射關(guān)系的功能。再把所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的劃分和排列，燒入ＦＬＡＳＨ中，就可實(shí)現(xiàn)全部程序的自加載。 由于采用獨(dú)特的硬件接口方式，很方便地實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)變速率的功能，大大提高了聲碼器的靈活性和適用范圍。ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６擁有很大的片內(nèi)ＲＡＭ，本文提出的使用ＦＰＧＡ輔助完成大數(shù)據(jù)量程序上電自加載的方法對(duì)于ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６的其它應(yīng)用場(chǎng)合也同樣適用。 使用以上方法實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)變速率ＳＥＬＰ聲碼器在ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６上占用的硬件資源情況如表２所示。表2 硬件資源占用情況 運(yùn)算量（峰值）（MIPS）存儲(chǔ)量（KWords）程序區(qū)數(shù)據(jù)區(qū)公共單獨(dú)2.4kbps算法43.011.411.65.41.2kbps算法52.425.00.6kbps算法35.427.4總運(yùn)算量＝ＭＡＸ（４３．０，５２．４，３５．４）＝５２．４ＭＩＰＳ 總存儲(chǔ)量＝１１．４＋１１．６＋５．４＋２５．０＋２７．４＝８０．８ＫＷｏｒｄ 該聲碼器已在實(shí)際通信系統(tǒng)中獲得應(yīng)用并表現(xiàn)出了很好的性能。
評(píng)論