基于TMS320C5416的G.729語音編解碼算法的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2009-02-04 01:29:01

關(guān)鍵字：語音編解碼解碼算法 TMS320C54 函數(shù)

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[導(dǎo)讀]通過分析G．729語音編解碼算法和TMS320VC5416的原理，提出了有效優(yōu)化算法的方案，降低了算法的復(fù)雜度，把優(yōu)化的G.729算法在TMS320VC5416的系統(tǒng)板實(shí)現(xiàn)，完成對(duì)輸入語音或數(shù)據(jù)的壓縮、存儲(chǔ)及回放。

隨著多媒體信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息量快速增長(zhǎng)，使信道資源顯得越來越寶貴。為了在有限的信道資源下傳輸盡可能多的信息，語音壓縮成為必要手段。ITU組織(國(guó)際電信聯(lián)盟)在l996年制定了G.729協(xié)議，即共軛結(jié)構(gòu)碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼算法(CS-ACELP)。其編碼速率為8kb/s，可以滿足網(wǎng)絡(luò)通信的要求，具有良好的語音質(zhì)量，對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性，是一種性能較好的語音壓縮國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用在個(gè)人移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信等各個(gè)領(lǐng)域。
1 G.729編解碼算法的原理
    語音信號(hào)的波形編碼力圖使重建語音波形保持原始語音信號(hào)的波形形狀。這類編碼器通常將語音信號(hào)作為一般的波形信號(hào)來處理,它具有適應(yīng)能力強(qiáng)、語音質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),但所需用的編碼速率高。參數(shù)編碼通過對(duì)語音信號(hào)特征參數(shù)的提取及編碼來降低編碼速率，力圖使重建語音信號(hào)盡可能保持原語音的語意，而重建信號(hào)的波形同原語音信號(hào)的波形可能會(huì)有相當(dāng)大的差別。二十世紀(jì)70年代中期,特別是80年代以來，語音編碼技術(shù)有了突破性的進(jìn)展，提出了一些非常有效的處理方法，如混合編碼。這種算法克服了原有波形編碼器與聲碼器的弱點(diǎn),而結(jié)合了它們各自的長(zhǎng)處,在4kb/s～16kb/s速率上能夠得到高質(zhì)量合成語音，而在本質(zhì)上也具有波形編碼的優(yōu)點(diǎn)。G.729所描述的CS-ACELP(Conjugate-Structure Al2gebraic-Coder-Excited Linear Prediction)聲碼器采用的CELP聲碼器就屬于這類編碼器。
    CELP編碼基于合成分析(A-B-S)的搜索過程、感知加權(quán)矢量量化(VQ)和線性預(yù)測(cè)(LP)技術(shù)，采用這種編碼方案使傳輸?shù)谋忍芈蚀蟠蠼档?。CS-ACELP的思想是由共軛結(jié)構(gòu)碼線性預(yù)測(cè)(CS-CELP)和代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)(ACELP)的思想整合而來的。在編碼端，主要進(jìn)行有線譜對(duì)(LSP)參數(shù)的量化、基音分析、固定碼本搜索和增益量化四個(gè)步驟。編碼器首先對(duì)輸入信號(hào)(8kHz采樣16bit PCM信號(hào))進(jìn)行預(yù)處理，然后對(duì)每幀語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)，得到LPC系數(shù)，并把LPC參數(shù)轉(zhuǎn)換成LSP參數(shù)，最后對(duì)LSP參數(shù)進(jìn)行矢量量化。在接下來的基音分析中，每一幀先搜索到最佳基音時(shí)延T的一個(gè)候選時(shí)延，然后依據(jù)候選時(shí)延搜索每一幀的最佳基音時(shí)延。最后還要對(duì)自適應(yīng)碼本增益和固定碼本增益進(jìn)行量化。在解碼端，首先由接收到的比特流得到各種參數(shù)標(biāo)志進(jìn)行解碼，得到10ms語音幀編碼參數(shù)。解碼器在每一子幀內(nèi)，對(duì)LSP系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插,并把它們變換成LP濾波器系數(shù)后，依次進(jìn)行激勵(lì)生成、語音合成和后處理工作。
2 算法優(yōu)化和DSP應(yīng)用改進(jìn)
    G.729語音編解碼系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性高，需在有限的時(shí)間內(nèi)對(duì)外部輸入的信號(hào)完成指定處理，即信號(hào)處理的速度必須大于等于輸入信號(hào)更新的速度，因此需要進(jìn)行算法的優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)C語言編寫的代碼進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)使用內(nèi)聯(lián)指令，又在C程序中嵌入?yún)R編語句，盡量提高信號(hào)處理的速度。
2.1 算法的優(yōu)化改進(jìn)
    首先在算法上進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示，采用一種結(jié)合WD-LSP(Weighted Delta-LSP)^[1]函數(shù)并結(jié)合次最優(yōu)部分碼本快速搜索的CS-ACELP語音編碼算法,同時(shí)采用基于聲學(xué)心理模型的知覺加權(quán)濾波器，使語音編碼在不降低語音質(zhì)量的情況下降低計(jì)算復(fù)雜度。WD-LSP函數(shù)主要用于區(qū)分UV-V（unvoice-voice）/S-V(silence-voice)的邊界。其原理是：如果函數(shù)值大于給定的極限值η，則開環(huán)基音延遲Top重新估計(jì)，否則，開環(huán)基音延遲Top用前一幀自適應(yīng)碼本延遲來更新。在第i幀F(xiàn)i的WD-LSP函數(shù)和用于確定開環(huán)基音延遲Top的算法如下：

其中LSP_i(k)是在第i幀中的k階LSP系數(shù)；w_k是加權(quán)系數(shù)，它用于增強(qiáng)UV-V/S-V邊界的WD-LSP函數(shù)。為了獲取w_k，一個(gè)包含23 014個(gè)UV-V邊界和9 519個(gè)S-V邊界的大型數(shù)據(jù)庫(kù)用于估計(jì)delta-LSP在UV-V/S-V邊界的平方根值(RMS)。因此，WD-LSP用于檢測(cè)VU-V/S-V邊界非常敏感。η是一個(gè)設(shè)為0.01的極限值。整個(gè)計(jì)算可節(jié)省21％的計(jì)算量，經(jīng)過這種算法前后語音信號(hào)如圖2所示。

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2.2 進(jìn)行C語言優(yōu)化
    基于G.729標(biāo)準(zhǔn)的聲碼器最終在定點(diǎn)TMS320C5416上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。在定點(diǎn)TMS320C5416內(nèi)，浮點(diǎn)數(shù)是通過將小數(shù)點(diǎn)固定在特定位置來表示的，這是定點(diǎn)TMS320C5416的局限之一。為了區(qū)分小數(shù)的不同值域，使用了Q-格式。不同的Q-格式在于小數(shù)點(diǎn)的位置不同，因此整數(shù)域也不同。當(dāng)兩個(gè)數(shù)相乘時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特殊的符號(hào)位。如：兩個(gè)Q4數(shù)相乘, 需要附加一個(gè)左移的操作以去除這個(gè)多余的符號(hào)位，乘積應(yīng)該是一個(gè)Q9格式的。如果DSP中的FRST位被置位，這個(gè)去除多余符號(hào)位的移位操作能夠自動(dòng)完成。對(duì)于16位數(shù)的乘法運(yùn)算，應(yīng)該得到32 位的乘積。但是，由于只需要16位的積，該32位乘積中只有高16位被存儲(chǔ)下來，積的低16位被丟棄。為了達(dá)到高準(zhǔn)確性，在連續(xù)的乘法運(yùn)算過程中（如卷積），應(yīng)該一直保持32位的計(jì)算結(jié)果，只對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行丟棄低16位的截短操作。為了達(dá)到更高的準(zhǔn)確性，在這一操作過程中會(huì)使用到一種雙重精度格式, 這種格式僅僅出現(xiàn)在使用單精度不夠，而又不必要使用32位精度的時(shí)候。兩個(gè)32位數(shù)相乘，只需要32位的乘積，而不是64位，不過注意到TMS320C5416是16位的，所以在雙重精度格式中，32位整數(shù)分為高位字和低位字。高、低位字中都含有符號(hào)位，以進(jìn)行快乘運(yùn)算。其格式如下：
    L_32=hi_word<<16+lo_word<<1
   Hi_word=L_32>>16
   Lo_word=L_32-hi_word>>1
   當(dāng)累加器中的數(shù)值超過一定范圍時(shí)將會(huì)產(chǎn)生溢出。在G.729算法標(biāo)準(zhǔn)中，累加器的值被限定在80000000～7FFFFFFF之內(nèi)——即最小負(fù)數(shù)和最大正數(shù)。不過在TMS320C5416中，如果將PMST寄存器中的OVM置位，則溢出會(huì)得到自動(dòng)處理。
2.3 內(nèi)聯(lián)指令的應(yīng)用和C程序中嵌入?yún)R編語句
    由于語音編碼的特點(diǎn)，編解碼函數(shù)都是由一些基本的加減乘除簡(jiǎn)單函數(shù)組織而成，這些函數(shù)定義在BASIC OP.C和OPER_32B.C兩個(gè)文件中，如果能夠?qū)@些簡(jiǎn)單函數(shù)進(jìn)行內(nèi)聯(lián)指令(intrinsic)的優(yōu)化，就能達(dá)到事半功倍的效果。內(nèi)聯(lián)指令是匯編指令的直接映射，具有很高的效率。例如：
   #define muh_ r(varl，var2)          _mpylir(varl，var2)
   #define L_ add(L_var1，L_var2)       _sadd(L_var1，L_var2)
   #define L_ muh(var1，var2)           _smpy(var1，var2)
   在C程序中嵌入?yún)R編語句的方法比較簡(jiǎn)單，只需在匯編語句的左右加上一個(gè)引號(hào)，然后用小括弧將匯編語句括住，并在括弧前加上ASM標(biāo)識(shí)符，例如ASM(“匯編語句”)。采用這種方法一方面可以在C程序中實(shí)現(xiàn)用C語言無法實(shí)現(xiàn)的一些硬件控制功能，如修改中斷控制寄存器、中斷使能或屏蔽、讀取狀態(tài)寄存器和中斷標(biāo)志寄存器等；另一方面，也可以用這種方法在C程序中的關(guān)鍵部分用匯編語句代替C語言以優(yōu)化程序。而采用這種方法的缺點(diǎn)是比較容易破壞C環(huán)境，因?yàn)镃編譯器在編譯嵌入了匯編語句的C程序時(shí)并不檢查或分析所嵌入的匯編語句。采用這種方法需要注意以下幾點(diǎn)：
    (1)不要破壞C環(huán)境，因?yàn)镃編譯器并不檢查和分析嵌入的匯編語句。
   (2)匯編語句不要改變C程序中變量的值，不要在匯編語句中加入?yún)R編器而改變匯編環(huán)境。
   在簡(jiǎn)化算法的基礎(chǔ)上，使用CCS提供的C優(yōu)化器進(jìn)行C語言優(yōu)化，同時(shí)還使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和匯編優(yōu)化。
3 G.729在TMS320C5416上的實(shí)現(xiàn)
3.1 TMS320C5416的體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用
   TMS320C5416(以下簡(jiǎn)稱C5416)是TI公司最近推出的一款高性價(jià)比的通用l6位定點(diǎn)DSP芯片，它的內(nèi)核CPU基本組成與TMS320C54X系列一樣。C5416的單指令周期為6．25 RS，每秒執(zhí)行的指令數(shù)為160×106，指令系統(tǒng)豐富并具有很多多功能指令，使用了6級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)，這些都很適合實(shí)現(xiàn)低時(shí)延的G．729聲碼器。采用一個(gè)40bit ALU、128K×16bit片內(nèi)RAM(包括64KB的片內(nèi)DARAM和64KB的片內(nèi)SARAM)、3個(gè)獨(dú)立的l6bit數(shù)據(jù)內(nèi)存總線、1個(gè)程序內(nèi)存總線、3個(gè)MCBSP、6信道DMA控制器、1個(gè)8／l6位并行增強(qiáng)主機(jī)端口接口及2個(gè)l6bit計(jì)時(shí)器。
    在TMS320C5416中通過PCM3002進(jìn)行語音信號(hào)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，PCM3002使用兩個(gè)串行通道，一個(gè)用于控制內(nèi)部寄存器，另外一個(gè)用于數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)板TMS320C5416中默認(rèn)的語音信號(hào)的抽樣率是48kHz，通過修改PCM3002的內(nèi)部控制寄存器，設(shè)定PCM3002信號(hào)的抽樣率。為了滿足G.729編碼的要求，PCM3002信號(hào)的抽樣率為8 000Hz。為了充分利用DSP進(jìn)行信號(hào)處理，通過使用MCBSP和DMA把抽樣的數(shù)據(jù)送入DMA的緩沖區(qū)中，當(dāng)緩沖區(qū)滿時(shí)產(chǎn)生一次中斷，DSP把DMA的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀入DSP中進(jìn)行處理，然后把處理過的數(shù)據(jù)送入DMA發(fā)送緩沖區(qū)。
3.2 G.729在TMS320C5416的實(shí)現(xiàn)
    G.729的處理過程中采用塊處理技術(shù)如圖3所示。按照G.729標(biāo)準(zhǔn)，每塊(幀)由80個(gè)樣本組成，最初80個(gè)樣本被存起來，處理過程中有兩個(gè)操作是同時(shí)進(jìn)行的。在處理塊L中數(shù)據(jù)的同時(shí)，存儲(chǔ)L+1塊的數(shù)據(jù)。

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在G.729軟件仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)算量較大的部分是LSP系數(shù)的矢量量化與激勵(lì)碼本(自適應(yīng)碼本和固定碼本)的搜索，這兩個(gè)部分的運(yùn)算量大約占全部編解碼運(yùn)算量的60%以上。所以在優(yōu)化過程中，著重對(duì)固定碼本Acelp_Code_A()、分?jǐn)?shù)基音分析pitch_fr3()、開環(huán)基音分析pitch_ol_fast()、增益量化Qua_gain()等占據(jù)絕大多數(shù)運(yùn)算量的函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；僅僅簡(jiǎn)化算法不能滿足實(shí)時(shí)要求，還使用了CCS提供的C優(yōu)化器進(jìn)行C語言優(yōu)化，同時(shí)還可以使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和匯編語句。經(jīng)過以上處理后，輸出的信號(hào)滿足通信要求。通過分析優(yōu)化前后這些主要模塊的速度對(duì)照表（如表1所示），可以看出各個(gè)主要模塊的優(yōu)化效果是比較明顯的。一幀語音信號(hào)經(jīng)過處理前后幅頻圖(如圖4所示)，可以看出語音信號(hào)經(jīng)過處理后保持良好的語音質(zhì)量。

系統(tǒng)運(yùn)行主要分為四個(gè)過程：語音存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)編碼壓縮，數(shù)據(jù)解壓縮，語音回放。將輸入的語音數(shù)據(jù)首先進(jìn)行抗疊濾波，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)DSP采集并存入RAM存儲(chǔ)器中，即是語音存儲(chǔ)過程；接著運(yùn)行編碼程序，將前面存儲(chǔ)的信息進(jìn)行壓縮并存儲(chǔ)，這是編碼過程；然后進(jìn)行解碼，并將數(shù)據(jù)存回原來的位置；最后DSP執(zhí)行輸出指令，將解碼后的數(shù)據(jù)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器中，實(shí)現(xiàn)模擬輸出。
用C5416最終實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)了G．729聲碼器，用該聲碼器分別實(shí)時(shí)播放純語音文件、語音加背景音樂文件。對(duì)重建語音質(zhì)量的主觀測(cè)試結(jié)果表明，恢復(fù)語音保留了很好的說話人特征，合成語音的清晰度和自然度均較好。該聲碼器性能測(cè)試數(shù)據(jù)如下：編解碼一幀平均時(shí)鐘周期數(shù)為1 010 350，CPU時(shí)鐘頻率為160MHz，所以編解碼一幀需要7.31ms時(shí)間；程序RAM容量為9.381KB；數(shù)據(jù)和常數(shù)RAM容量為7.146KB。以上數(shù)據(jù)表明，G．729編解碼器在C5416上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，可以很好地應(yīng)用在電話會(huì)議、多媒體通信以及采用寬帶語音編碼的通信系統(tǒng)中。