可編程語音壓縮專用處理器設(shè)計(jì)

　　摘 要：為了提高通信系統(tǒng)的保密性，降低制造成本，需要進(jìn)行專用處理器的設(shè)計(jì)。基于正弦激勵(lì)線性預(yù)測(SELP)算法模型，設(shè)計(jì)了一款多速率語音專用處理器。芯片使用可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)和超長指令字(VLIw)，優(yōu)化了高復(fù)雜度函數(shù)。仿真結(jié)果表明：該處理器對O．6 kb/s速率SELP算法的執(zhí)行效率明顯優(yōu)于通用數(shù)字信號處理器(DSP)。處理器內(nèi)部程序數(shù)據(jù)外部不可見，指令并行度顯著提高，常用函數(shù)可被修改，從而達(dá)到高保密性、低復(fù)雜度、易開發(fā)性。

　　關(guān)鍵詞：語音信號處理；語音壓縮；專用芯片；可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)；超長指令字

　　為了適應(yīng)多種通信應(yīng)用，需要使用不同的語音壓縮編碼算法。用數(shù)字信號處理器（DSP）實(shí)現(xiàn)存在編程難、保密性差、成本高等缺點(diǎn)。專用芯片(ASIC)只能實(shí)現(xiàn)單一算法，很難擴(kuò)展，難以進(jìn)行二次開發(fā)。

　　可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，是指某一計(jì)算系統(tǒng)能夠利用可重用的硬件資源，根據(jù)不同的應(yīng)用需求，靈活地改變自身結(jié)構(gòu)，以便提供與之相匹配的功能。已有可重構(gòu)體系實(shí)現(xiàn)了語音算法的某些特定部分，如自適應(yīng)多速率算法中的代數(shù)碼本搜索、原型編碼器中的小波變換以及有限脈沖響應(yīng)濾波器等，但使用協(xié)處理器使硬件規(guī)模仍然偏大，且只能對一類語音算法適用。

　　使用可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種可編程專用語音編解碼芯片TRl00，指令系統(tǒng)使用超長指令字(VLIW)，使語音編碼算法中常用的并行操作可以在該芯片上產(chǎn)生比通用DSP更高的執(zhí)行效率。高復(fù)雜度子程序能夠被多種類型的語音算法使用，避免引入?yún)f(xié)處理器，降低了二次開發(fā)編程的工作量。片內(nèi)存儲器在外部不能讀取，提高了系統(tǒng)的保密性。

　　1 SELP算法

　　算法采用自行開發(fā)的基于正弦激勵(lì)線性預(yù)測(SELP)模型的多幀聯(lián)合編碼算法，在線性預(yù)測正弦激勵(lì)模型的基礎(chǔ)上，引入多幀參數(shù)聯(lián)合矢量量化方法，進(jìn)一步壓縮幀間冗余，使語音譜包絡(luò)信息得到較好表示，在O．6 kb/s的極低速率下，可懂度達(dá)到90％以上。

　　O．6 kb/s速率采用多幀聯(lián)合量化編碼技術(shù)，將相鄰3幀預(yù)測系數(shù)均轉(zhuǎn)為線譜對系數(shù)(LSP)，采用基于模式的余量分裂多級矩陣量化(P-RS-MSMQ)算法。根據(jù)不同的信道狀況與質(zhì)量要求，算法還包括0．8 kb/s、 1．2 kb/s和2．4 kb/s另3種速率壓縮方式，流程與O．6 kb/s算法基本相同，僅增加對余量信號的編碼過程，其中需要進(jìn)行512點(diǎn)快速Fourier變換(FFT)運(yùn)算。

　　2 TR100芯片體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　芯片工作主頻為20 MHz，采用取指譯碼執(zhí)行3級流水線設(shè)汁，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　TRl00芯片采用粗粒度可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)，基本的可重構(gòu)硬件單元包括存儲系統(tǒng)、運(yùn)算單元、程序調(diào)度控制、寄存器、數(shù)據(jù)通路等。

　　存儲系統(tǒng)包括閃存存儲器(FLASH)和隨機(jī)存儲器(RAM)兩部分。芯片內(nèi)部包含2個(gè)32 kB數(shù)據(jù)FLASH、5個(gè)4 kB數(shù)據(jù)RAM。6個(gè)地址寄存器與3個(gè)地址運(yùn)算單元可以分別獨(dú)立存儲器的地址控制與選擇。

　　運(yùn)算單元包括2個(gè)32 b增強(qiáng)型算術(shù)邏輯單元，可完成以加減運(yùn)算為中心、包括規(guī)格化、算術(shù)移位、四舍五入等輔助邏輯的復(fù)雜運(yùn)算功能；1個(gè)32 b乘法器；1個(gè)40 b乘累加器；1個(gè)16 b除法器。

　　程序調(diào)度控制有2級硬循環(huán)、比較跳轉(zhuǎn)、比較設(shè)置、調(diào)用/返回等單元。兩個(gè)可被同時(shí)訪問的寄存器組各包含19個(gè)32 b寄存器，支持分層窗口式訪問；6個(gè)32 b選通器作為數(shù)據(jù)通路將存儲系統(tǒng)與運(yùn)算部件進(jìn)行互聯(lián)。

　　3 超長指令字格式設(shè)計(jì)

　　在針對語音編碼算法的專用處理器設(shè)計(jì)中，VLIW指令設(shè)計(jì)方法是非常適用的，它能在低復(fù)雜度的控制邏輯水平上產(chǎn)生較高指令并行性，使芯片在低主頻下即可實(shí)現(xiàn)語音壓縮算法。由于對資源并行度要求較高的程序模塊數(shù)量不大，因此可以通過遍歷所有運(yùn)算量較大的模塊，提取可用的指令并行模式，在硬件控制邏輯復(fù)雜度增加很小的前提下實(shí)現(xiàn)超長指令譯碼。

　　設(shè)計(jì)的VLIW指令系統(tǒng)包括基本指令形態(tài)和專用指令形態(tài)?；局噶钚螒B(tài)包括1 6b、32b、48b、64 b等4種指令長度，并行程度低，用于設(shè)計(jì)對資源并行性要求不高的子程序。專用指令形態(tài)包括128 b、192 b、256 b等3種指令長度，并行程度高，用于設(shè)計(jì)算法中復(fù)雜度較高、要求資源高并行度的子程序。兩類指令形態(tài)格式相同，從而可以使用相同的譯碼器進(jìn)行譯碼，簡化了電路設(shè)計(jì)?；局噶钅K和專用指令模塊分別從程序FLASH與程序RAM中取指，均能做到單周期取指單周期譯碼一單周期執(zhí)行。指令格式包括4個(gè)字段：Length確定指令長度；SF確定本長度下選用的指令子格式；CF進(jìn)行算子選擇；OP進(jìn)行算子編碼。

　　4 算法程序向芯片的移植

　　使用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)有硬件的支持，可以編出高效率的代碼。表1是在TRl00上實(shí)現(xiàn)常用程序模塊的執(zhí)行周期數(shù)與通用DSP對比結(jié)果，其中l(wèi)表示濾波長度，p表示內(nèi)積點(diǎn)數(shù)。

　　可以看到，壓縮算法中運(yùn)算量較大的模塊，如濾波器、點(diǎn)積、矢量量化等，TR100的運(yùn)行效率均明顯高于DSP，甚至達(dá)到兩倍以上。這是由于對于運(yùn)算、存儲單元訪問密集的模塊，硬件體系結(jié)構(gòu)中各個(gè)獨(dú)立單元可以用相應(yīng)的指令格式并行訪問。而對線性預(yù)測系數(shù)(LPC)計(jì)算與轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)函數(shù)等運(yùn)算量不大、但各種語音算法都要使用的模塊，芯片的運(yùn)行效率也與DSP基本相當(dāng)。這就保證了在移植其他算法時(shí)，受程序執(zhí)行效率的限制較小，而可以專注于算法功能的開發(fā)。注入功能可對基本指令與專用指令進(jìn)行修改，便于開發(fā)者對現(xiàn)有程序進(jìn)行擴(kuò)充。

　　以加權(quán)矢量量化為例，說明芯片的運(yùn)算效率。線譜對系數(shù)使用多幀聯(lián)合矢量量化，搜索運(yùn)算量非常巨大。在SELP算法中，0．6 kb/s速率使用30維多級LSP碼本，容量為7．68 kB，搜索時(shí)需要計(jì)算每一碼本矢量bi與當(dāng)前系數(shù)矢量x的加權(quán)距離di，權(quán)重為對角矩陣W，之后再找到最小的加權(quán)距離所對應(yīng)的碼本矢量標(biāo)號進(jìn)行編碼。

　　使用一條256bit專用指令即可實(shí)現(xiàn)循環(huán)體內(nèi)部操作：

　　與通用DSP的實(shí)現(xiàn)相比，本芯片可以在循環(huán)體內(nèi)減少5次運(yùn)算，本芯片對矢量搜索模塊的優(yōu)化可減少近4MI/s的運(yùn)算量。其中I為指令數(shù)。

　　5 芯片性能

　　數(shù)據(jù)FLASH寬度為16 b，存儲4個(gè)速率的不同碼本，碼本容量為199g kB，最大臨時(shí)數(shù)據(jù)變量使用19．8 kB，與C54xDSP所需的存儲空間相當(dāng)。全部程序共5．7 k I，其中專用指令程序?yàn)? kI。

　　0．6 kb/s速率算法各子模塊的運(yùn)算量如表2。

　　在TRl00芯片上完成編解碼的運(yùn)算復(fù)雜度為12．5 MI/s，明顯低于C54xDSP所需的40 MI/s。

　　表3對比了浮點(diǎn)C語言程序、定點(diǎn)C語言程序以及芯片仿真3種情況下各個(gè)參數(shù)的重建誤差，使用91280幀中國軍標(biāo)語音測試數(shù)據(jù)。

　　可以看出，海量數(shù)據(jù)測試出的定點(diǎn)C程序的各個(gè)重建參數(shù)誤差與芯片仿真的結(jié)果完全相同，由此可以說明芯片獲得的編碼碼流與重建語音與C程序的結(jié)果相同。

　　6 結(jié) 論

　　 使用VLIW設(shè)計(jì)的可重構(gòu)處理器能夠在相同硬件結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)不同的語音壓縮算法，由于針對算法中常用的運(yùn)算密集模塊在體系結(jié)構(gòu)和指令形態(tài)上進(jìn)行了優(yōu)化，該處理器對語音算法中計(jì)算、存儲密集度高的函數(shù)具備更高的指令并行性，從而獲得了更高的運(yùn)行效率與更低的主頻，使功耗降低。算法程序外部完全不可見，提高了保密性。常用函數(shù)可以通過注入方式進(jìn)行修改，避免了引入?yún)f(xié)處理器導(dǎo)致的難以擴(kuò)充的缺點(diǎn)，并有效減小了芯片規(guī)模。