基于TMS320C6201的G.723.1多通道語音編解碼的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹了一種基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３．１全雙工實(shí)時(shí)多通道語音編解碼的實(shí)現(xiàn)。首先簡要介紹了Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)和Ｃ６２０１的芯片結(jié)構(gòu)，然后提出了基于Ｃ語言和匯編語言的各種優(yōu)化方法以降低計(jì)算量，最后給出了各個(gè)主要模塊的性能指標(biāo)。該實(shí)現(xiàn)能夠在２００ＭＨｚ的Ｃ６２０１ ＤＳＰ上實(shí)現(xiàn)１６路語音信號(hào)的實(shí)時(shí)編解碼，完全符合ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)算法，通過了ＩＴＵ－Ｔ的所有測(cè)試矢量。

關(guān)鍵詞：語音編碼 定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器 ＩＴＵ標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒＩＰ(ＶｏＩＰ)技術(shù)正在不斷普及，通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的語音通信量也日漸增加。目前ＶｏＩＰ中使用的低碼率語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)主要有Ｇ．７２３．１和Ｇ．７２９兩種。隨著ＶｏＩＰ技術(shù)的不斷發(fā)展，要求產(chǎn)品的集成度與性能進(jìn)一步提高，利用新一代高性能ＤＳＰ芯片，實(shí)現(xiàn)單片ＤＳＰ處理多路語音信號(hào)，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。本文根據(jù)Ｃ６２０１芯片的特點(diǎn)，作了大量針對(duì)Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)本身的優(yōu)化，降低了運(yùn)算量，滿足了多路信號(hào)的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。

１ Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)介紹

Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)是ＩＴＵ組織于１９９６年推出的一種低碼率編碼算法。主要用于對(duì)語音及其他多媒體聲音信號(hào)的壓縮，如可視電話系統(tǒng)、數(shù)字傳輸系統(tǒng)和高質(zhì)語音壓縮系統(tǒng)等。

Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)可在６．３ｋｂｐｓ和５．３ｋｂｐｓ兩種碼率下工作。其中，高碼率算法具有較高的重建語音質(zhì)量，而低碼率算法的計(jì)算復(fù)雜度則較低。與一般的低碼率語音編碼算法一樣，Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)采用線性預(yù)測(cè)的合成分析法（Ａｎａｌｙｓｉｓ－ｂｙ－Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）。對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，高碼率算法采用多脈沖最大似然量化（ＭＰ－ＭＬＱ），而低碼率算法則采用算術(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（ＡＣＥＬＰ）。目前，Ｇ．７２３．１已經(jīng)能在多種ＤＳＰ芯片上實(shí)現(xiàn)，如美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５ｘ、ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ和朗訊科技公司的ＤＳＰ１６ｘｘ等。

Ｇ．７２３．１編碼器能對(duì)以８ｋＨｚ采樣的話帶語音信號(hào)進(jìn)行壓縮，其結(jié)構(gòu)框圖見圖１（ａ）。從圖中可以看出，編碼器是基于線性預(yù)測(cè)合成分析法原理，其目的是最小化感知加權(quán)誤差信號(hào)。為了降低碼率，Ｇ．７２３．１采用了較長的幀尺寸，每幀２４０個(gè)樣值，即３０毫秒幀長。每幀輸入信號(hào)首先通過一階高通濾波器濾除直流分量，然后將之分成四個(gè)６０個(gè)樣值的子幀，每個(gè)子幀獨(dú)立進(jìn)行ＬＰＣ分析。為了提高ＬＰＣ系數(shù)的連續(xù)性，采用了長度為１８０個(gè)樣值的重疊窗，即同時(shí)包含前后兩個(gè)子幀，這使算法引入６０個(gè)樣值的超前時(shí)延，因此算法的總時(shí)延為３７．５毫秒。ＬＰＣ系數(shù)用線性譜頻率（ＬＳＦ）表示，ＬＳＦ參數(shù)采用預(yù)測(cè)分裂矢量量化，只對(duì)第四子幀進(jìn)行。為了提高量化感知質(zhì)量，高通濾波后的語音信號(hào)需通過共振峰感知加權(quán)濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器以生成初始目標(biāo)信號(hào)。前者參數(shù)由各子幀的未量化ＬＰＣ系數(shù)構(gòu)成，后者通過對(duì)每兩子幀進(jìn)行開環(huán)基音周期估計(jì)得到，其中基音周期的范圍為１８到１４２個(gè)樣值。ＬＰＣ合成濾波器、共振峰感知加權(quán)濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器用于系統(tǒng)零輸入響應(yīng)計(jì)算和最佳激勵(lì)估計(jì)。Ｇ．７２３．１編碼器還包括一個(gè)五階基音預(yù)測(cè)器，其參數(shù)根據(jù)開環(huán)基音估計(jì)值和脈沖響應(yīng)進(jìn)行閉環(huán)基音搜尋得到。在進(jìn)行最佳激勵(lì)估計(jì)時(shí)，需從初始目標(biāo)信號(hào)中減去系統(tǒng)零輸入響應(yīng)和基音預(yù)測(cè)器貢獻(xiàn)以得到最終目標(biāo)信號(hào)，然后針對(duì)高低碼率分別采用ＭＰ－ＭＬＱ和ＡＣＥＬＰ方法進(jìn)行量化。其中ＬＳＦ參數(shù)、基音值和激勵(lì)參數(shù)需傳送給解碼器。

解碼器首先根據(jù)得到的ＬＳＦ參數(shù)重建ＬＰＣ合成濾波器，然后根據(jù)基音值和激勵(lì)參數(shù)得到自適應(yīng)碼本激勵(lì)信號(hào)和固定碼本激勵(lì)信號(hào)。為了提高重建語音的主觀質(zhì)量，解碼器還包括一個(gè)后濾波器，后濾波器由共振峰和基音后濾波器組成。激勵(lì)信號(hào)依次通過基音后濾波器、合成濾波器和共振峰后濾波器合成重建語音，其結(jié)構(gòu)框圖見圖１（ｂ）。

２ ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１芯片結(jié)構(gòu)簡介

ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１是一種３２位的定點(diǎn)ＤＳＰ，工作頻率最高達(dá)２００ＭＨｚ。它有兩組運(yùn)算單元，每組４個(gè)，共８個(gè)。除Ｍ單元只能作乘法外，其他單元都可以靈活使用，如Ｄ單元可以做Ｌｏａｄ、Ｓｔｏｒｅ和加減操作，Ｓ單元可以進(jìn)行移位和加減。Ｃ６２０１有３２個(gè)通用寄存器，分為Ａ、Ｂ兩側(cè)。兩側(cè)的寄存器有交叉通路，同一指令可以同時(shí)訪問雙側(cè)的寄存器。Ｃ６２０１采用了超長指令字結(jié)構(gòu)，一次最多可以同時(shí)執(zhí)行８條指令（每個(gè)單元一條）。它有１１級(jí)流水，所有的指令都是精簡指令。Ｃ６２０１允許使用緩存（Ｃａｃｈｅ）模式，可以運(yùn)行大型程序而不降低速度。圖２是Ｃ６２０１的結(jié)構(gòu)。

３ 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

用Ｃ６２０１實(shí)現(xiàn)Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)的最大優(yōu)勢(shì)在于它極強(qiáng)的并行處理能力，用一塊ＤＳＰ可以實(shí)現(xiàn)多路語音的壓縮，大大簡化了硬件的設(shè)計(jì)。Ｃ６２０１是ＴＩ公司推出的第一種支持Ｃ編譯器的ＤＳＰ芯片。通常，Ｃ編譯器能完成整個(gè)工作的７０％，而３０％的進(jìn)一步優(yōu)化必須通過手寫匯編來實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)整個(gè)程序的優(yōu)化分為Ｃ語言級(jí)和匯編語言級(jí)兩部分。

３．１ Ｃ語言級(jí)的優(yōu)化

３．１．１ 循環(huán)展開(ｌｏｏｐ－ｕｎｒｏｌｌｉｎｇ)

使用具有并行能力的ＤＳＰ開發(fā)軟件時(shí)，一個(gè)重要的思想就是充分利用ＤＳＰ的字長和數(shù)目眾多的運(yùn)算單元，盡量把循環(huán)體展開。通過增加每次循環(huán)中執(zhí)行的指令數(shù)來減少總的循環(huán)次數(shù)，可使得在同樣的時(shí)鐘周期內(nèi)能運(yùn)行更多的指令，提高了循環(huán)的效率。

３．１．２ 提高寄存器的利用率

ＤＳＰ芯片內(nèi)部的運(yùn)算單元運(yùn)行效率非常高，但如果寄存器和數(shù)據(jù)總線之間的數(shù)據(jù)交換頻繁，將使ＤＳＰ的執(zhí)行效率大打折扣。因?yàn)椋模樱性谶M(jìn)行內(nèi)存操作時(shí)，往往需要若干周期的延遲，如Ｌｏａｄ指令要有４個(gè)周期的延遲，Ｓｔｏｒｅ指令需要２個(gè)周期的延遲。為了減少耗時(shí)的內(nèi)存操作，可以在程序進(jìn)入循環(huán)體之前，將要頻繁使用的數(shù)據(jù)預(yù)先放入寄存器，然后反復(fù)調(diào)用，實(shí)踐證明這種方法可以提高一部分效率。

３．１．３ 使用內(nèi)在函數(shù)（Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ）

內(nèi)在函數(shù)是在某些Ｃ６２０１ＤＳＰ的匯編指令前加上“＿”構(gòu)成?它可以方便地實(shí)現(xiàn)某些需若干Ｃ語句才能實(shí)現(xiàn)的功能。它是一種非常簡便高效的優(yōu)化方法，它的調(diào)用格式和普通Ｃ函數(shù)一樣，但在編譯時(shí)編譯器會(huì)自動(dòng)將Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ用對(duì)應(yīng)的匯編指令替代。Ｃ６２０１指令集中絕大多數(shù)的運(yùn)算邏輯指令都可以這樣使用，比如飽和絕對(duì)值、飽和加、飽和減、飽和乘、兩個(gè)字中的對(duì)應(yīng)半字同時(shí)加或同時(shí)減、兩個(gè)字中的對(duì)應(yīng)半字同時(shí)乘或交叉乘、歸一化及位操作等。經(jīng)過此步優(yōu)化后，大部分循環(huán)體都可以生成較為有效的流水內(nèi)核（ｐｉｐｌｉｎｅｄｋｅｒｎｅｌ）。用Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ替代Ｇ．７２３．１原先的Ｃ代碼，運(yùn)算量下降為原來的１／１０。

３．１．４ 對(duì)算法的冗余部分合理精簡

經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３．１的Ｃ代碼存在冗余部分。象６．３ｋ碼率的ＭＰ－ＭＬＱ搜索模塊中，只需要用到偶數(shù)位置的脈沖響應(yīng)的自相關(guān)，所以對(duì)奇數(shù)位置的脈沖響應(yīng)自相關(guān)計(jì)算可以省略。

另外，在Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)中存在大量的１０階ＦＩＲ和１０階ＩＩＲ濾波器運(yùn)算，如編碼部分的感知加權(quán)、零輸入響應(yīng)、解碼部分綜合濾波器和后濾波等，ＦＩＲ和ＩＩＲ的通用形式可以表示為：


每次循環(huán)，ＦＩＲ濾波器內(nèi)存要用新的輸入值更新，ＩＩＲ濾波器內(nèi)存要用新的輸出值更新，使用按標(biāo)準(zhǔn)提供的算法，要專門用一個(gè)１０階循環(huán)更新內(nèi)存。如果用一個(gè)１０單位大小的循環(huán)緩存區(qū)，每次用新值覆蓋最老的樣值，動(dòng)態(tài)調(diào)整循環(huán)緩存區(qū)的頭指針，可以節(jié)省原先用于內(nèi)存更新的ｃｙｃｌｅ。

３．２ 匯編級(jí)優(yōu)化

由于Ｃ編譯器只能完成７０％的工作?且對(duì)于復(fù)雜的循環(huán)，Ｃ編譯器無法生成高效率的代碼，所以對(duì)運(yùn)算量大的模塊只能用手寫匯編。

３．２．１ 字長優(yōu)化

Ｃ６２０１的字長為３２位，它支持按字節(jié)、半字、字存取。對(duì)于１６位的數(shù)組，當(dāng)它在內(nèi)存中連續(xù)排列時(shí)，用３２位讀寫指令ＬＤＷ或ＳＴＷ替代１６位讀寫指令ＬＤＨ或ＳＴＨ，循環(huán)次數(shù)可減少一半。另外，Ｃ６２０１的匯編指令支持兩個(gè)３２位寄存器的高１６位和低１６位之間互乘，結(jié)果分別放到不同的寄存器中，互不影響。具體指令為ＳＭＰＹ(Ｌ×Ｌ)、ＳＭＰＹＨ(Ｈ×Ｈ)、ＳＭＰＹＨＬ(Ｈ×Ｌ)和ＳＭＰＹＬＨ(Ｌ×Ｈ)。通過字長優(yōu)化，可以大大提高程序的運(yùn)行效率。必須注意的是，在使用字長優(yōu)化時(shí)，數(shù)組在內(nèi)存中的位置必須對(duì)齊３２位邊界。

３．２．２ 對(duì)外循環(huán)的優(yōu)化

Ｃ６２０１的Ｃ編譯器對(duì)多重循環(huán)的最內(nèi)層一般能較好地優(yōu)化到一句到兩句，但對(duì)外循環(huán)的優(yōu)化效率則差很多。手寫匯編時(shí)，可以先將內(nèi)循環(huán)展開，再把外循環(huán)的指令并入其中，可以減少所耗費(fèi)的ｃｙｃｌｅ數(shù)。

Ｃ６２０１的循環(huán)一般分前導(dǎo)(Ｐｒｏｌｏｇ)、內(nèi)核(Ｋｅｒｎｅｌ)及排空(Ｅｐｉｌｏｇ)三部分。代碼的并行程度從Ｐｒｏｌｏｇ開始不斷提高，Ｋｅｒｎｅｌ內(nèi)的并行程度最高，Ｅｐｉｌｏｇ與Ｐｒｏｌｏｇ相反，并行性逐漸降低。在多重循環(huán)中，如果盡量把內(nèi)循環(huán)前導(dǎo)部分的指令與填入排空部分未用的單元，一起執(zhí)行，可以在執(zhí)行本次循環(huán)的排空語句的同時(shí)執(zhí)行下次循環(huán)的前導(dǎo)語句。這樣可不多花ｃｙｃｌｅ而提高整個(gè)循環(huán)的效率。

４ 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

經(jīng)過Ｃ語言級(jí)和匯編級(jí)的多種優(yōu)化，最后實(shí)現(xiàn)了一路Ｇ．７２３．１的編解碼需要花費(fèi)１０．６ＭＣＰＳ，整個(gè)代碼的程序空間為２０８Ｋ ｂｙｔｅ（程序中包括了部分ｃ６２０１的庫函數(shù)），數(shù)據(jù)空間為８Ｋ ｂｙｔｅ，碼本大?。玻埃?ｂｙｔｅ，多通道的上下文數(shù)據(jù)為１．４８Ｋ ｂｙｔｅ。２００ＭＨｚ的Ｃ６２０１每秒可以實(shí)時(shí)編解碼１６路語音信號(hào)。所有代碼全部通過了ＩＴＵ－Ｔ測(cè)試矢量的測(cè)試。表１是各主要模塊的運(yùn)算量。

表1 G.723.1各主要模塊運(yùn)算量

本文提出的利用Ｃ６２０１ ＤＳＰ進(jìn)行ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３．１全雙工?實(shí)時(shí)多通道語音編解碼的實(shí)現(xiàn)。該實(shí)現(xiàn)可以在ＩＰ電話、視頻會(huì)議中得到廣泛應(yīng)用。