高速G．729ab聲碼器設(shè)計及其在媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用

在VoIP媒體網(wǎng)關(guān)設(shè)備中，語音壓縮編碼是其關(guān)鍵技術(shù)之一。在ITU-T發(fā)布的應(yīng)用于VoIP的語音壓縮編解碼標(biāo)準(zhǔn)中，G．729是應(yīng)用較為廣泛的一種。G．729采用“共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼”(CS-ACELP)算法，算法幀長為lO ms，編碼后速率為8 Kb／s。G．729有兩個附件：附件A給出一種低復(fù)雜度的算法，可應(yīng)用于多媒體同步語音和數(shù)據(jù)；附件B在標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上增加了靜音檢測壓縮算法以降低平均傳輸率，包括靜音檢測(VAD)和舒適噪音產(chǎn)生(CNG)。文獻(xiàn)對G．729語音壓縮編碼算法的具體原理中有詳盡的描述，本文的論述重點在算法的匯語言優(yōu)化、聲碼器的DSP硬件接口設(shè)計，以及其在媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用。

1 G．729ab編解碼核心算法優(yōu)化
    本文選擇TI公司的TMS320C6203芯片為核心，實現(xiàn)G．729ab聲碼器設(shè)計。TMS320C62xx系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio(簡稱CCS)支持標(biāo)準(zhǔn)C語言和匯編混合編程的方式編程，為了提高編解碼算法的效率，本文對ITU_T的標(biāo)準(zhǔn)G．729ab的C語言原碼進(jìn)行匯編指令優(yōu)化設(shè)計。同時，對于上層編解碼器控制函數(shù)，采用C語言開發(fā)，以提高聲碼器的可維護(hù)性。
    C62xx采用6級流水線結(jié)構(gòu)，提供了A，B兩組(共32個)通用寄存器，8個功能單元(．L1，．L2，．S1，．S2，．M1，．M2，．D1和．D2)，最多同時可以有8條指令處在不同的執(zhí)行階段并行。流水線結(jié)構(gòu)是DSP實現(xiàn)高速運(yùn)算的重要技術(shù)。由于不同指令的指令周期不同，需要在多周期指令后插入足夠的NOP(空操作)指令，以避免流水線沖突。
    在G．729ab的標(biāo)準(zhǔn)C代碼中，有大量的循環(huán)體。循環(huán)控制的關(guān)鍵跳轉(zhuǎn)指令B，需要等待5個指令周期，大量的NOP操作將降低代碼的效率。為了提高循環(huán)效率，可以合理安排指令順序，在一個匯編循環(huán)體內(nèi)完成多個C循環(huán)的運(yùn)算的流水線操作。用匯編指令實現(xiàn)如下簡單的for循環(huán)求信號能量的程序段為例：
   
    上述示例可使用如下匯編程序段實現(xiàn)：
   
    如上優(yōu)化后，循環(huán)體LOOP僅為一個周期，在這一個周期中有6條并行運(yùn)行的指令。其中，內(nèi)存讀取指令LDFI需4個周期，故乘法指令SMPY是將向前追溯4個循環(huán)周期的內(nèi)存讀取結(jié)果相乘。同理，SMPY指令需2個周期，故SADD指令是將2個循環(huán)周期之前的相乘結(jié)果相加。B0和A1配合用于循環(huán)控制，在等待跳轉(zhuǎn)指令B有效的5個延時周期內(nèi)，依次進(jìn)行隨后的后一循環(huán)的取數(shù)，前第3個循環(huán)的相乘，前一個循環(huán)的求和、循環(huán)控制和跳轉(zhuǎn)指令，依次類推。上述優(yōu)化實現(xiàn)了最優(yōu)循環(huán)效率。
    本設(shè)計優(yōu)化后核心編解碼算法代碼完全符合ITUT G．729ab標(biāo)準(zhǔn)，并通過了ITU-T的所有測試矢量。使用300 MHz主頻的TMS320C6203實現(xiàn)聲碼器，單片可支持31路G．729ab算法。

2 聲碼器的DSP硬件接口設(shè)計
    在媒體網(wǎng)關(guān)中，聲碼器的功能是實現(xiàn)PSTN的E1語音信號和數(shù)據(jù)網(wǎng)分組語音壓縮信號之間的編解碼轉(zhuǎn)化。利用TMS320C6203片內(nèi)固化設(shè)置的McBSP接口(多通道緩存串行接口)與HPI接口(主處理器接口)，可以實現(xiàn)DSP與E1總線、以及數(shù)據(jù)網(wǎng)上層處理器的連接。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

    TM320C6203通過內(nèi)置McBSP與EDMA(Enhanced Directory Memory Access，增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問)控制器配合，可實現(xiàn)與E1標(biāo)準(zhǔn)接口的鏈接。設(shè)置McBSP的接收／發(fā)送控制寄存器(R／XCR)，使串口按照標(biāo)準(zhǔn)E1數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；設(shè)置串口管腳控制寄存器(PCR)，控制串口采用外部E1總線的時鐘和幀同步信號；設(shè)置串口控制寄存器(SPCR)，控制串口的R／XINT(收／發(fā)中斷)由EDMA響應(yīng)。
    TMS320C6203支持16個EDMA通道，其12～15通道可用于響應(yīng)串口收、發(fā)中斷。以串口接收數(shù)據(jù)為例：本設(shè)計中設(shè)計了乒、乓兩個串口數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)。
    串口寄存器中的數(shù)據(jù)通過EDMA模式緩存到乒緩存區(qū)，當(dāng)乒緩存區(qū)滿時，EDMA參數(shù)重載，控制切換，將數(shù)據(jù)緩存至乓緩存區(qū)，同時給出EDMA中斷，通知CPU讀取一幀數(shù)據(jù)。通過McBSP接口發(fā)送數(shù)據(jù)的過程完全類似。
    聲碼器通過DSP的HPI接口與上層處理器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)分組語音壓縮信號的收發(fā)。在HPI接口中，設(shè)計了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送／接收緩存區(qū)，并為每個緩存區(qū)設(shè)計了RP(Read Pointer，讀指針)和WP(Write Pointer，寫指針)，用于控制上層處理器和DSP之間的編碼數(shù)據(jù)交互。同時上層處理器通過HPI接口向聲碼器發(fā)送指令，控制通道的打開或關(guān)閉。

3 在媒體網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用設(shè)計
    聲碼器內(nèi)部的主控程序采用定時中斷方式訪問HPI接口，根據(jù)上層處理器的指令打開或關(guān)閉通道。同時主程序使用輪詢方式處理從E1接口來的PCM話音信號；根據(jù)相應(yīng)的通道工作狀態(tài)設(shè)置編解碼算法參數(shù)，將話音信號壓縮編碼；編碼后的語音數(shù)據(jù)，通過HPI接口輸出到上層處理器，進(jìn)入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。使用完全類似的輪詢處理方式，逆向處理從來自數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的編碼數(shù)據(jù)。
    由于數(shù)字網(wǎng)絡(luò)屬于分組通信，必須有合適的多媒體實時流網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議以保證語音的連貫性。在聲碼器的HPI接口控制程序中，設(shè)計了一個提供給上層處理器的RTP(Real-time Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議)接口，用于完成編碼和解碼數(shù)據(jù)包的輸出和輸入及相應(yīng)的RTP成幀、解幀功能，具體功能設(shè)計如下：
    RTP打包和發(fā)送：RTP包由具有固定格式的包頭和數(shù)據(jù)部分組成。將編碼后的語音數(shù)據(jù)，按照RTP打包參數(shù)的要求組織RTP頭和RTP凈荷。  RTP包頭中的關(guān)鍵字段為SN(Sequence Number，序列號)和TS(Time Stamp，時間戳)。SN用于對RTP包進(jìn)行排序。每發(fā)送一個RTP數(shù)據(jù)包，SN加1。TS用于標(biāo)識RTP數(shù)據(jù)包中第一個字節(jié)采樣時的時刻，以語音樣本為單位遞增；對于語音包和靜音壓縮包，TS增值一致。另外，RTP包頭中的PT(Payload Type，負(fù)載類型)字段用于指示RTP凈荷的數(shù)據(jù)編碼格式。在RFC3550中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)音頻載荷類型：G．729編碼對應(yīng)的PT為18。
    由于RTP包頭中沒有長度字段，故對RTP包進(jìn)行了外部擴(kuò)展：將打好的RTP包作為凈荷，附加上RTP包數(shù)據(jù)長度、通道號，組成“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包”。針對C6203的32位尋址的HPI總線接口，設(shè)計以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

    RTP包發(fā)送：即寫“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包”至“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)”。首先根據(jù)該緩存區(qū)的讀寫指針判斷剩余空間；如寫空間不夠，則放棄此次寫操作，該數(shù)據(jù)包同時被丟棄。如寫空間足夠，則將數(shù)據(jù)包寫入發(fā)送緩存區(qū)，并更新寫指針。上層處理器根據(jù)該緩存區(qū)的讀寫指針判斷該緩存區(qū)內(nèi)是否有新數(shù)據(jù)，并進(jìn)行讀操作，以及更新讀指針。
    RTP包接收、排序和緩存：分組通信需要考慮語音的防抖動處理。本文通過設(shè)置靜態(tài)抖動緩沖區(qū)實現(xiàn)去抖動。首先根據(jù)“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)”的讀寫指針判斷是否有新的數(shù)據(jù)包到來，如果有，則將該數(shù)據(jù)包根據(jù)RTP的SN和TS排列在相應(yīng)通道的RTP緩存隊列中。重復(fù)上述過程直至將“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)”中所有的數(shù)據(jù)包讀完，然后更新該緩存區(qū)的DSP讀指針。對于每個通道的RTP緩存隊列，當(dāng)緩存語音數(shù)據(jù)到達(dá)預(yù)先定義的閾值K時，給出標(biāo)志允許該通道開始進(jìn)行語音數(shù)據(jù)解碼。如果數(shù)據(jù)分組有抖動延遲，則解碼語音可繼續(xù)保持K時間單位不被打斷。

4 結(jié)語
    在純匯編并行優(yōu)化的基礎(chǔ)上設(shè)計了高效的G．729ab聲碼器；利用TMS320C6203的在片外設(shè)McBSP實現(xiàn)了連接PSTN的標(biāo)準(zhǔn)E1接口；設(shè)計了用于分組數(shù)據(jù)收發(fā)的RTP協(xié)議接口，利用TMS320C6203的HPI接口方式與上層處理器連接，使聲碼器可靈活應(yīng)用于媒體網(wǎng)關(guān)。