基于DSP的G.723.1語音編碼算法實現(xiàn)方案分析

隨著通信、計算機網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛速發(fā)展，日益增加的客戶需求量和現(xiàn)有的通信信道容量之間的矛盾愈發(fā)突出。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前急需解決的問題之一。為此誕生了許多語音壓縮處理方法，G.723.1語音編碼算法便是ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標準化部門)制定的H.324協(xié)議簇首推的標準算法，主要用于低比特率多媒體業(yè)務(wù)的話音或其他音頻信號分量的壓縮。它是一種雙速率語音編碼標準，其中6.3 kb/s的速率提供了良好的話音質(zhì)量，而5.3kb/s的速率在提供較好通話質(zhì)量的同時，也為系統(tǒng)設(shè)計者提供了更適合的靈活性[1]。
1 算法原理
??? G.723.1語音編碼算法按幀(Frame)對語音數(shù)據(jù)進行壓縮和解壓縮，每幀240個采樣點，壓縮傳遞的參數(shù)包括線性預(yù)測系數(shù)、自適應(yīng)碼本的延時和增益、激勵脈沖位置、符號及格點比特等。
　　首先進行高通濾波，去掉直流分量；接著把一幀信號分成4個子幀，每個子幀60個采樣點，分別進行10階線性預(yù)測分析(LPC)，得到各子幀的LPC參數(shù)，把最后一個子幀的LPC參數(shù)轉(zhuǎn)化成線譜對(LSP)參數(shù)進行矢量量化編碼，送到解碼器。利用未量化的LPC參數(shù)構(gòu)造短時感知加權(quán)濾波器，信號濾波后得到感覺加權(quán)的語音信號。每2個子幀(120樣點)搜索一個開環(huán)基音值，并以此為依據(jù)為每一個子幀構(gòu)造一個諧波噪聲成形濾波器，對感知加權(quán)的語音信號進行濾波。每一子幀的LPC綜合濾波器、感覺加權(quán)濾波器和諧波噪聲成形濾波器聯(lián)起來，構(gòu)成一個聯(lián)合濾波器，利用它的沖激響應(yīng)和開環(huán)基音周期，對每一子幀進行閉環(huán)基音搜索，對開環(huán)搜索的結(jié)果進行修正。同時通過一個五階基音預(yù)測器對信號進行預(yù)測，得到相應(yīng)子幀的殘差信號。最后進行固定碼本搜索，也就是對每一子幀的殘差信號進行矢量量化，對應(yīng)兩種不同的編碼速率采用兩種不同的方法：編碼速率為6.3kb/s時，采用多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)的方法，具有較高的重建語音質(zhì)量；編碼速率為5.3kb/d時，采用代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測(ACELP)方法。
　　算法的解碼也是按幀進行，主要對符合ITU-TG.723.1的碼流進行解碼，得到相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)語音產(chǎn)生的機理，合成語音信號。讀入一幀碼流后，分別進行LSP參數(shù)、基音周期和激勵脈沖信號解碼，對LSP參數(shù)插值，然后轉(zhuǎn)化成各子幀的線性預(yù)測系數(shù)，構(gòu)成LPC綜合濾波器。通過基音周期和激勵脈沖得到每一子幀的殘差信號，經(jīng)過基音后濾波，輸入到LPC綜合濾波器，產(chǎn)生合成語音信號。經(jīng)過共振峰后濾波和增益控制，形成高質(zhì)量的重建語音信號。
2 算法實現(xiàn)
2.1 硬件設(shè)計
　　在選擇DSP芯片時，考慮了語音壓縮編碼算法的復(fù)雜度以及運算量，并對DPS芯片本身的運算能力、存儲空間大小、性能價格比、開發(fā)軟件的完整性等多方面進行綜合比較，最終選用TIC54xx系列的定點運算處理器TMS320C5416，開發(fā)平臺是TMS320C5416 DSK。
　　TMS320C5416的單指令周期為6.25ms，每秒執(zhí)行的指令數(shù)為160M，使用了6級指令流水線結(jié)構(gòu)，這些都很適合G.723.1語音編碼算法的實現(xiàn)。采用一個40 bitALU、128K×16 bit片內(nèi)RAM(包括64 kB的片內(nèi)DARAM和64 KB的片內(nèi)SARAM)、3個獨立的16bit數(shù)據(jù)內(nèi)存總線、1個程序內(nèi)存總線、3個McBSP、6信道DMA控制器、1個8/16 bit并行增強主機端口接口及2個16 bit計時器[2，3]。
　　在DSK的基礎(chǔ)上，可以搭建出語音開發(fā)硬件系統(tǒng)平臺，如圖1所示。
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　　輸入語音信號由麥克風輸入，經(jīng)過立體聲音頻多媒體數(shù)字信號編碼芯片PCM3002 A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，接著送入DSP內(nèi)進行編碼壓縮處理。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓得到重建的語音信號，最后送入PCM3002 D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過耳機或揚聲器得以收聽到。
2.2 算法實現(xiàn)流程
　　根據(jù)G.723.1算法，設(shè)計實現(xiàn)流程如圖2所示。
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　　從流程圖中可以看到，首先關(guān)閉中斷、初始化DSP芯片和開發(fā)平臺；然后進行程序運行前的硬件配置，主要是配置外設(shè)，打開DMA和McBSP。配置結(jié)束后打開中斷屏蔽控制寄存器，等待中斷的到來。McBSP接收中斷發(fā)生時，DMA接收PCM3002發(fā)來的數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，并判斷是否滿一幀240個數(shù)據(jù)。如果不滿幀，就直接等待下一次McBSP接收中斷；如果滿一幀，通過DMA通道3將240個語音數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)BUFF1，同時置位新幀標志位new_data，然后對數(shù)據(jù)進行編解碼處理。整個編解碼結(jié)束后，將得到的一幀240個合成語音數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)BUFF2中，等待新幀標志位重新置1后進行下一幀的編解碼處理。McBSP發(fā)送中斷時，DMA把發(fā)送緩沖區(qū)的一個數(shù)據(jù)發(fā)送給PCM3002后，判斷是否滿一幀。如果不滿幀，就直接等到下一次McBSP發(fā)送中斷；如果滿一幀，即PCM3002接收到了240個數(shù)據(jù)，則把BUFF2中新一幀240個合成語音數(shù)據(jù)復(fù)制到發(fā)送緩沖區(qū)，等待下一次McBSP發(fā)送中斷。