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，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)對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮和解壓縮，每幀240個采樣點(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；接著把一幀信號分成4個子幀，每個子幀60個采樣點(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)，把最后一個子幀的LPC參數(shù)轉(zhuǎn)化成線譜對(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)造短時感知加權(quán)濾波器，信號濾波后得到感覺加權(quán)的語音信號。每2個子幀(120樣點(diǎn))搜索一個開環(huán)基音值，并以此為依據(jù)為每一個子幀構(gòu)造一個諧波噪聲成形濾波器，對感知加權(quán)的語音信號進(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)成一個聯(lián)合濾波器，利用它的沖激響應(yīng)和開環(huán)基音周期，對每一子幀進(jìn)行閉環(huán)基音搜索，對開環(huán)搜索的結(jié)果進(jìn)行修正。同時通過一個五階基音預(yù)測器對信號進(jìn)行預(yù)測，得到相應(yīng)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(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，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，采用代數(shù)碼本激勵線性預(yù)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(yīng)的參數(shù)，根據(jù)語音產(chǎn)生的機(jī)理，合成語音信號。讀入一幀碼流后，分別進(jìn)行LSP參數(shù)、基音周期和激勵脈沖信號解碼，對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脈沖得到每一子幀的殘差信號，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。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。
2 算法實(shí)現(xiàn)
2.1 硬件設(shè)計(jì)
　　在選擇DSP芯片時，考慮了語音壓縮編碼算法的復(fù)雜度以及運(yùn)算量，并對DPS芯片本身的運(yùn)算能力、存儲空間大小、性能價格比、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個獨(dú)立的16bit數(shù)據(jù)內(nèi)存總線、1個程序內(nèi)存總線、3個McBSP、6信道DMA控制器、1個8/16 bit并行增強(qiáng)主機(jī)端口接口及2個16 bit計(jì)時器[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，如圖1所示。

　　輸入語音信號由麥克風(fēng)輸入，經(jīng)過立體聲音頻多媒體數(shù)字信號編碼芯片PCM3002 A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，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，最后送入PCM3002 D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，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；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，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個語音數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)BUFF1，同時置位新幀標(biāo)志位new_data，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼處理。整個編解碼結(jié)束后，將得到的一幀240個合成語音數(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，DMA把發(fā)送緩沖區(qū)的一個數(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個數(shù)據(jù)，則把BUFF2中新一幀240個合成語音數(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各個模塊的參數(shù)和創(chuàng)建API調(diào)用對象[4]。用DSP/BIOS配置工具，對象可以被預(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)證對象的屬性預(yù)先發(fā)現(xiàn)錯誤。
3 程序優(yōu)化
　　實(shí)時實(shí)現(xiàn)語音信號的編解碼最基本的要求是編解一幀語音信號的時間要少于采集一幀語音信號的時間，即要求G.723.1的一幀語音編解碼時間要少于30ms。對G.723.1標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行時間評估時發(fā)現(xiàn)，一幀的運(yùn)算量大概需要49 M個時鐘周期，約為300 ms，這顯然無法在TMS320C5416DSP上實(shí)時運(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)的指令搬移到整個循環(huán)體外，從而縮短程序執(zhí)行時間，滿足實(shí)時性的要求。
　　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“_”，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C編譯器將這些內(nèi)聯(lián)函數(shù)用對應(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“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。這樣做對程序的規(guī)范化設(shè)計(jì)有好處，同時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)化方式會帶來代碼量的增大，但還是在芯片存儲空間的容許范圍內(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)不同級別的流水線試圖利用同一條總線或訪問同一資源時，就可能發(fā)生時序上的沖突。如果流水線沖突，CPU自動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鐘周期。重新安排指令順序有時可以避免沖突，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，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?？梢杂脛?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整個程序運(yùn)行進(jìn)行測試，結(jié)果表明，一幀語音信號的編解碼在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(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時實(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)算時常用長時信噪比和短時(分段)信噪比兩種準(zhǔn)則。短時(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(分段)信噪比作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。
　　設(shè)每段有N個語音采樣點(diǎn)，則第m段的分段信噪比定義為：
　　
x(n)是原始信號，y(n)是輸出信號，N是幀長，M是幀的總數(shù)。
　　本文對G.723.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，就圖3所示語音信號計(jì)算其短時信噪比。圖中總幀數(shù)150幀，幀長為240個采樣點(diǎn)，按照上式計(jì)算SNR=13.56dB。因此可知G.723.1有較高的短時信噪比，語音編解碼質(zhì)量較好，得到的語音信號比較清晰。