基于DSP的G.723.1數(shù)字對講機(jī)基帶系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬對講機(jī)已不能滿足人們的需求，對講機(jī)數(shù)字化勢在必行。信息社會的高速發(fā)展使頻譜資源變得愈加寶貴，信道利用率成為一項(xiàng)關(guān)鍵因素。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。DSP數(shù)字信號處理器的運(yùn)算能力越來越強(qiáng)，本設(shè)計(jì)采用TI公司的通用定點(diǎn)DSP TMS320C5509A作為基帶系統(tǒng)的處理器，主要對G.723.1語音壓縮編碼在頻帶、DSP資源有限的數(shù)字對講機(jī)基帶系統(tǒng)中的具體應(yīng)用進(jìn)行研究與實(shí)現(xiàn)。

1 G.723.1語音壓縮編碼原理

G.723.1標(biāo)準(zhǔn)主要用于對語音及其他多媒體聲音信號的壓縮。該算法是H.324系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分，包含2種工作速率：低速率(5.3 kbps)采用代數(shù)碼本線性激勵(lì)預(yù)測(ACELP)，高速率(6.3 kbps)采用多脈沖激勵(lì)最大似然量化(MP_MLQ)。2種速率的編碼器都以幀為處理單位，幀長為30 ms，加上另需7.5 ms的延時(shí)，總共37.5 ms的算法延時(shí)。編碼器原理如圖1所示。

輸入的16位線性PC碼流分成長度為240樣點(diǎn)的語音幀。每幀信號先通過1個(gè)高通濾波器，去除低頻成分，再分成4個(gè)子幀，每個(gè)子幀60個(gè)樣點(diǎn)。對每個(gè)子幀進(jìn)行10階LPC預(yù)測，將最后1個(gè)子幀的LPC參數(shù)轉(zhuǎn)化成線譜對LSP參數(shù)。用預(yù)測分裂矢量量化法(PSVQ)進(jìn)行量化。為了減少合成端合成語音信號的誤差，在分析端對LSP系數(shù)解碼、插值后，再變?yōu)長PC系數(shù)。由LPC分析后的LPC系數(shù)可得到共振峰加權(quán)濾波器的系數(shù)。用共振峰加權(quán)濾波器對經(jīng)高通濾波后的語音信號進(jìn)行共振峰加權(quán)濾波，可得到共振峰加權(quán)濾波后的語音信號f(n)。由f(n)經(jīng)基音估計(jì)可求出開環(huán)基音周期，基音周期的搜索范圍為18～142 個(gè)樣點(diǎn)。對每個(gè)子幀的語音信號進(jìn)行諧波噪聲整形、沖擊響應(yīng)計(jì)算，然后進(jìn)行閉環(huán)基音搜索，求出閉環(huán)基音周期及基音增益，再計(jì)算出殘差信號。然后根據(jù)不同的速率進(jìn)行激勵(lì)搜索，求出脈沖位置和幅度參數(shù)，打包后形成以幀為單位的編碼數(shù)據(jù)流。

2 語音系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件原理圖

原始的模擬語音首先要經(jīng)過模數(shù)變換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號之后，通過串口輸入到DSP中，再進(jìn)行語音壓縮算法。G.723.1標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算復(fù)雜和數(shù)據(jù)存儲量大的問題使得語音編解碼方案的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)存在很多困難。為了保證該算法處理的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)選用 DSP作為主控芯片，用來實(shí)現(xiàn)編解碼算法。語音系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 語音系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本基帶系統(tǒng)的核心部件采用CPLD和DSP。DSP負(fù)責(zé)基帶的數(shù)字化處理，CPLD用于外圍器件的控制。將CPLD和DSP技術(shù)相結(jié)合，一方面能利用DSP軟件控制的靈活性，另一方面又能利用CPLD硬件上的高速、高集成度和可編程性。

本系統(tǒng)選用TMS320C5509A(簡稱C5509A)負(fù)責(zé)G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的算法及后續(xù)基帶數(shù)字化的處理(信道編譯碼、交織、加擾、CRC、基帶調(diào)制解調(diào))。該芯片是TMS320C55X系列DSP中的一款，C55X系列的結(jié)構(gòu)見參考文獻(xiàn)[1]。

CPLD主要用來擴(kuò)展DSP的外部地址空間，實(shí)現(xiàn)地址譯碼、時(shí)序控制，并給DSP提供所需的邏輯和時(shí)序控制信號。本系統(tǒng)選用Altera公司 MAX7000系列中的EPM7128，其與DSP的接口電路如圖3(a)所示，其中FSX和FSR幀同步信號端的同步信號相同。原始模擬語音信號必須進(jìn)行數(shù)字化處理后，才能在DSP中進(jìn)行語音壓縮編解碼算法。系統(tǒng)選用的是ADI公司推出的低成本、低功耗通用模擬前端AD7311L，其與DSP的接口電路如圖3(b)所示。由于G．723．1的算法比較復(fù)雜，處理時(shí)需要大量的存儲空間，本設(shè)計(jì)采用4Mb×16的SDRAM，芯片為MT48LCM16，通過 EMIF接口映射到C5509A的CEO空間。其與DSP的接口電路如圖3(c)所示。

4 語音系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

總體軟件流程如圖4所示。當(dāng)DSP處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，通過MCBSP1接收來自 AD7311L的數(shù)字化語音數(shù)據(jù)，調(diào)用語音壓縮編碼程序，編完1幀輸出數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的相關(guān)基帶處理。當(dāng)DSP處于接收狀態(tài)時(shí)，接收來自后續(xù)基帶處理的數(shù)據(jù)，調(diào)用語音解碼程序；解碼后的語音數(shù)據(jù)，再以每幀的數(shù)據(jù)通過MCBSP1送入AD7311L，最后還原成原始語音。下面主要介紹初始化模塊及語音編解碼模塊。

4．1 初始化模塊

系統(tǒng)的初始化是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)部分，它涉及系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)，如引腳的分配及連接、各芯片采用的工作模式等問題。本系統(tǒng)初始化模塊劃分為3個(gè)部分：初始化微處理器、初始化語音處理器、初始化外部寄存器。

DSP初始化函數(shù)名為DSP_Init．c，主要是對DSP的時(shí)鐘(clock)，外部存儲器接口(EMIF)和多通道串行緩沖串口(McBSP)進(jìn)行初始化設(shè)置。

AD7311L的初始化函數(shù)主要是對其的外部引腳配置，該模塊分為McBSP1的配置和AD7311L的硬件配置。

McBSP1的初始化函數(shù)如下：

4．2 語音編解碼模塊

該模塊主要是對G.723.1的代碼處理。系統(tǒng)若直接使用ITU提供的定點(diǎn)C源代碼， C5509A完成1幀的編碼需要53 400 912個(gè)周期，即使C5509A工作在最高頻率200 MHz，也需要267 ms。所以代碼必須經(jīng)過優(yōu)化，且優(yōu)化后的代碼占用DSP的資源不能過高，這樣才能保證DSP有足夠的資源對后續(xù)的基帶數(shù)字化進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。本設(shè)計(jì)主要從編譯器、C語言級、匯編級和算法級4個(gè)方面對G.723.1的定點(diǎn)C代碼進(jìn)行優(yōu)化。本文主要對算法級優(yōu)化進(jìn)行介紹。

在對G.723.1算法進(jìn)行仿真的過程中發(fā)現(xiàn)，基音估計(jì)、自適應(yīng)碼本搜索、固定碼本搜索和代數(shù)碼本搜索等模塊占語音編解碼的總時(shí)間超過70％，因此優(yōu)化措施應(yīng)著重對這幾個(gè)模塊的算法進(jìn)行優(yōu)化。

①開環(huán)基音估測函數(shù)Estim_Pitch()中，計(jì)算圖1f[n]中的互相關(guān)值COL(j)：

尋找使得COL(j)max，開環(huán)基音周期j的搜索范圍18～142。在基音周期較短時(shí)，基音頻率較大；對語音信號編碼質(zhì)量影響較大，而基音周期較長時(shí)，基音頻率較小，對語音信號編碼質(zhì)量較小。所以18~58之間基音周期采用逐點(diǎn)計(jì)算搜索，而59~142之間以采用隔點(diǎn)計(jì)算，可以減少運(yùn)算量。

②高速率的脈沖激勵(lì)編碼(MP-MLQ)函數(shù)Find_Best()中計(jì)算預(yù)測殘差信號
時(shí)需要進(jìn)行卷積碼預(yù)算，對其進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)算誤差信號的均方值
時(shí)，式中
先通過加減運(yùn)算完成，最后做1次增益G的乘法運(yùn)算即可得到r’[n]，這樣計(jì)算1次殘差矢量最多需要60×6=360次加減運(yùn)算，而優(yōu)化前的預(yù)算量為4×8×(1+2L+58+59)=56 640。由此可見優(yōu)化減少了大量的運(yùn)算。

③基本運(yùn)算庫函數(shù)優(yōu)化。G.723.1代碼的基本運(yùn)算庫函數(shù)Basop.c中，存在大量數(shù)字信號處理功能的函數(shù)，而且占據(jù)絕大部分運(yùn)算，如L_mac()、L_mull()、L_add()、sature()等，所以還需在這幾個(gè)函數(shù)上進(jìn)行一些優(yōu)化工作。

5 調(diào)試結(jié)果分析

最終在TMS320C5509A上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)G.723.1標(biāo)準(zhǔn)。對于1幀語音在高速率6.3 kbps模式下，編解碼算法占用時(shí)間7.42 ms，算法復(fù)雜度為49.5 MIPS；低速率5.3 kbps模式下，編解碼占用時(shí)間5.34 ms，算法復(fù)雜度35.6 MIPS。

其主要模塊代碼優(yōu)化前后占用的時(shí)間對比如表1所列。

整個(gè)程序優(yōu)化后，G.723.1算法占用CPU的資源不到20％，即DSP還有足夠的資源對后續(xù)的基帶算法進(jìn)行處理。

結(jié)語

在工作頻率為200 MHz的C5509A自制硬件電路上，實(shí)現(xiàn)了對G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)處理。將2塊板子串口相連，收端揚(yáng)聲器可以傳出發(fā)端傳來的實(shí)時(shí)、連續(xù)和清晰的語音。最后優(yōu)化驗(yàn)證以及整體基帶系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果證明，語音壓縮編碼方案選用正確，代碼優(yōu)化結(jié)果良好，硬件電路設(shè)計(jì)合理，在頻譜帶寬、DSP資源有限的條件下，圓滿地實(shí)現(xiàn)了G.723.1語音壓縮編碼在對講機(jī)基帶數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。從DSP的CPU負(fù)載情況看，G.723.1的代碼還可進(jìn)一步優(yōu)化。若想進(jìn)一步降低功耗，可采用全匯編實(shí)現(xiàn)。