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隨著通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬對(duì)講機(jī)已不能滿足人們的需求，對(duì)講機(jī)數(shù)字化勢(shì)在必行。信息社會(huì)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(guò)壓縮信源以提高傳輸效率，已成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題之一。DSP數(shù)字信號(hào)處理器的運(yùn)算能力越來(lái)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(duì)G.723.1語(yǔ)音壓縮編碼在頻帶、DSP資源有限的數(shù)字對(duì)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(yǔ)音壓縮編碼原理 G.723.1標(biāo)準(zhǔn)主要用于對(duì)語(yǔ)音及其他多媒體聲音信號(hào)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(cè)(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(zhǎng)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(zhǎng)度為240樣點(diǎn)的語(yǔ)音幀。每幀信號(hào)先通過(guò)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(duì)每個(gè)子幀進(jìn)行10階LPC預(yù)測(cè)，將最后1個(gè)子幀的LPC參數(shù)轉(zhuǎn)化成線譜對(duì)LSP參數(shù)。用預(yù)測(cè)分裂矢量量化法(PSVQ)進(jìn)行量化。為了減少合成端合成語(yǔ)音信號(hào)的誤差，在分析端對(duì)LSP系數(shù)解碼、插值后，再變?yōu)長(zhǎng)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(duì)經(jīng)高通濾波后的語(yǔ)音信號(hào)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(yǔ)音信號(hào)f(n)。由f(n)經(jīng)基音估計(jì)可求出開(kāi)環(huán)基音周期，基音周期的搜索范圍為18～142 個(gè)樣點(diǎn)。對(duì)每個(gè)子幀的語(yǔ)音信號(hào)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(hào)。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(yǔ)音系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及硬件原理圖 原始的模擬語(yǔ)音首先要經(jīng)過(guò)模數(shù)變換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)之后，通過(guò)串口輸入到DSP中，再進(jìn)行語(yǔ)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(chǔ)量大的問(wèn)題使得語(yǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)編解碼算法。語(yǔ)音系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 語(yǔ)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(jiǎn)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(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。 CPLD主要用來(lái)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(hào)。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(hào)端的同步信號(hào)相同。原始模擬語(yǔ)音信號(hào)必須進(jìn)行數(shù)字化處理后，才能在DSP中進(jìn)行語(yǔ)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(chǔ)空間，本設(shè)計(jì)采用4Mb×16的SDRAM，芯片為MT48LCM16，通過(guò) 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(yǔ)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(guò)MCBSP1接收來(lái)自 AD7311L的數(shù)字化語(yǔ)音數(shù)據(jù)，調(diào)用語(yǔ)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(lái)自后續(xù)基帶處理的數(shù)據(jù)，調(diào)用語(yǔ)音解碼程序；解碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，再以每幀的數(shù)據(jù)通過(guò)MCBSP1送入AD7311L，最后還原成原始語(yǔ)音。下面主要介紹初始化模塊及語(yǔ)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(wèn)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(yǔ)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(duì)DSP的時(shí)鐘(clock)，外部存儲(chǔ)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(duì)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(yǔ)音編解碼模塊 該模塊主要是對(duì)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(guò)優(yōu)化，且優(yōu)化后的代碼占用DSP的資源不能過(guò)高，這樣才能保證DSP有足夠的資源對(duì)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(yǔ)言級(jí)、匯編級(jí)和算法級(jí)4個(gè)方面對(duì)G.723.1的定點(diǎn)C代碼進(jìn)行優(yōu)化。本文主要對(duì)算法級(jí)優(yōu)化進(jìn)行介紹。 在對(duì)G.723.1算法進(jìn)行仿真的過(guò)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(yǔ)音編解碼的總時(shí)間超過(guò)70％，因此優(yōu)化措施應(yīng)著重對(duì)這幾個(gè)模塊的算法進(jìn)行優(yōu)化。 ①開(kāi)環(huán)基音估測(cè)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(kāi)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(duì)語(yǔ)音信號(hào)編碼質(zhì)量影響較大，而基音周期較長(zhǎng)時(shí)，基音頻率較小，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)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(cè)殘差信號(hào)
③基本運(yùn)算庫(kù)函數(shù)優(yōu)化。G.723.1代碼的基本運(yùn)算庫(kù)函數(shù)Basop.c中，存在大量數(shù)字信號(hào)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(duì)于1幀語(yǔ)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(duì)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(duì)后續(xù)的基帶算法進(jìn)行處理。 結(jié)語(yǔ) 在工作頻率為200 MHz的C5509A自制硬件電路上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(lái)的實(shí)時(shí)、連續(xù)和清晰的語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音壓縮編碼在對(duì)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)。 參考文獻(xiàn) 1. Texas Instruments.TMS320VC5509A Hardware Designer's Resource Guide,2008. 2. Texas Instruments.TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual,2007. 3. 彭啟琮,武樂(lè)琴,張艦,等.TMS320VC55X系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005. 4. 楊艷.基于DSP平臺(tái)的語(yǔ)音編解碼算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].湖北:武漢理工大學(xué),2006. 5. ITU-T Recommendation G.723.1-Dual rate speech coder for multimedia communication transmitting at 5.3& 6.3kpbs,1996. 6. Texas Instruments.TMS320C55x Optimizing C/C++ Compiler User's Guide,2003. 作 者：桂林電子科技大學(xué) 鐘磊 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》 2009 （8） |
