多制式語音編解碼算法的DSP設(shè)計(jì)

　近二十年來，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展帶動(dòng)相關(guān)的軟件、硬件設(shè)計(jì)水平迅速提高，這些發(fā)展使得一大批性能優(yōu)良的復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)并在日常通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，極大地提高了現(xiàn)有通信系統(tǒng)的可靠性和效率。因此，研究語音處理技術(shù)并將其用基于DSP芯片硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場前景。本文介紹了語音編解碼硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和編解碼算法在硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化過程，同時(shí)給出了硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)和低功耗設(shè)計(jì)思路。
　　1 平臺(tái)中語音編解碼算法簡述
　　本文在TI C55x系列DSP上實(shí)現(xiàn)了0.3kbps至16kbps的多種不同速率的語音編解碼算法。其中16kps速率采用連續(xù)可變?cè)隽空{(diào)制（CVSD）的波形編碼算法，8kps速率采用了ITU-T公布的G.729a標(biāo)準(zhǔn)算法。而低速率編解碼采用了正弦激勵(lì)線性預(yù)測（SELP）算法。SELP算法是建立在傳統(tǒng)的線性預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，其中清音成分用白噪聲擬合，濁音成分在每個(gè)諧波處用一個(gè)頻率變化的正弦信號(hào)合成，整個(gè)激勵(lì)的濁音部分由一組不同幅度的正弦疊加而成，這也是SELP模型不同于傳統(tǒng)的線性預(yù)測的一個(gè)非常的重要方面，即激勵(lì)信號(hào)采用分帶混合正弦激勵(lì)。
　　2 語音編解碼算法在DSP數(shù)字處理芯片上的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化
　　由于在DSP上運(yùn)行的聲碼器必須要達(dá)到實(shí)時(shí)化的要求，而直接編譯的C程序遠(yuǎn)無法達(dá)到。因此需要編寫和優(yōu)化C55x的匯編代碼來提高聲碼器的運(yùn)行效率。下面介紹幾點(diǎn)在算法硬件實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)：
　　2.1 C程序和匯編程序的混編，函數(shù)的調(diào)用和參數(shù)傳遞
　　把一個(gè)模塊改寫為匯編函數(shù)，然后在C程序或者匯編程序中調(diào)用它。在C55x的開發(fā)中，函數(shù)的調(diào)用機(jī)制是這樣的：首先記錄下函數(shù)傳遞來的參數(shù)，和返回地址SP向低位移。然后再在堆棧中開出本地變量常量所需要的空間，SP再次向低位移。
　?。?）匯編函數(shù)的聲明：在匯編函數(shù)中定義的函數(shù)如果要想在C代碼中被調(diào)用，必須用.global語句加以聲明，這樣，對(duì)象或函數(shù)被定義為外部的（external）。比如：
　　.global _Rem_Dc
　　_Rem_Dc：
　　……
　?。?）參數(shù)傳遞：在函數(shù)調(diào)用的過程中，C代碼傳來的參數(shù)按照以下規(guī)則存放在特定的寄存器中：即16或23位的數(shù)據(jù)指針，先后存放在（X）AR0-（X）AR4中。16位的數(shù)據(jù)，先后存放在T0，T1，AR0-AR4中，32位的數(shù)據(jù)，先后存放在AC0，AC1和AC2中。如果參數(shù)個(gè)數(shù)超過寄存器個(gè)數(shù)，則存放在堆棧中。同時(shí)，函數(shù)的返回值如果是短整型（short）則存放在T0中，如果是長整型（long）則存放在AC0中，如果是指針則存放在（X）AR0中。
　　例如：
　　①int fn（int i1， long l2， int *p3）;
　　則fn-》T0; il-》T0， l2-》AC0， p3-》AR0
　?、趌ong fn（int *p1， int i2， int i3， int i4）;
　　則fn-》AC0， p1-》AR0， i2-》T0， i3-》T1， i4-》AR1
　?、踲oid fn（long l1， long l2， long l3， long l4， int i5）;
　　則l1-》AC0， l2-》AC1， l3-》AC2， l4-》堆棧， i5-》T0
　　④void fn（long l1， long l2， long l3， int *p4， int *p5， int *p6， int *p7， int *p8， int i9， int i10）;
　　則l1-》AC0，l2-》AC1，l3-》AC2，p4-》AR0，p5-》AR1， p6-》AR2， p7-》AR3， p8-》AR4， i9-》T0，i10-》T1
　　2.2 標(biāo)志位的設(shè)置
　　標(biāo)志位是DSP芯片在計(jì)算時(shí)設(shè)置一些位置。它們存放在ST0_55～ST3_55中，在運(yùn)算中主要用到的幾個(gè)有：
　　FRCT，當(dāng)其值等于1時(shí)，乘法運(yùn)算的結(jié)果將左移一位。等于零時(shí)，運(yùn)算結(jié)果不變。
　　SATD，當(dāng)其值等于1時(shí)，運(yùn)算發(fā)生溢出時(shí)作飽和處理
　　SXMD，當(dāng)其值等于1時(shí)，輸入操作數(shù)有符號(hào)擴(kuò)展
　　SMUL，當(dāng)其值等于1時(shí)，飽和模式開
　　他們分別存儲(chǔ)在ST1_55和ST3_55寄存器的位置如圖1所示：
　　
　　
　　圖1 C55x DSP關(guān)鍵標(biāo)志位在寄存器中的位置
　　這幾個(gè)操作位的設(shè)置不對(duì)的話，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果的錯(cuò)誤。所以要根據(jù)程序的需要正確設(shè)置操作位，同時(shí)要在程序的前后保護(hù)和還原其初值。
　　psh *（ST1_55）
　　psh *（ST3_55）
　　……
　　pop *（ST3_55）
　　pop *（ST1_55）
　　3 語音編解碼硬件平臺(tái)簡述
　　本文設(shè)計(jì)的多模式語音編解碼系統(tǒng)基于C55x系列DSP和MCU的雙處理器設(shè)計(jì)，主芯片采用了TI公司的TMS320VC5510A數(shù)字信號(hào)處理器。其時(shí)鐘周期最高為200MHz。擁有160KWord片上RAM（其中包括8塊4KWord的DARAM和32塊4KWord的SARAM）、16KWord片上ROM、8MWord的最大擴(kuò)展尋址能力。微控制器（MCU）選用TI公司的MSP430F149，主要完成系統(tǒng)啟動(dòng)，電源管理，狀態(tài)監(jiān)控，DSP程序加載，聲碼器二進(jìn)制碼流位置重排等功能，并和DSP配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)加密機(jī)制。另外，硬件平臺(tái)的音頻編解碼芯片選用TLV320AIC10，而程序存儲(chǔ)部分采用的是SST39VF160 Flash，容量為1MWord，用來儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。本硬件平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
　　
　　圖2 多速率語音編解碼系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖
　　4 低功耗設(shè)計(jì)
　　在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計(jì)，故暫不考慮。其動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式為：
　　?　?。?）
　　式中Pd為CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗；CT為CMOS芯片的負(fù)載電容；V為CMOS芯片的工作電壓；f為CMOS芯片的工作頻率。本硬件平臺(tái)的低功耗設(shè)計(jì)從選用有可變電壓和多電壓的器件、動(dòng)態(tài)功耗管理、動(dòng)態(tài)頻率控制三個(gè)方面入手。
　　4.1 選用有可變電壓和多電壓的器件
　　首先在文中的系統(tǒng)中，選用的單片機(jī)芯片TI公司的MSP430系列MCU是一款功耗相當(dāng)?shù)偷钠骷?a target='_blank' class='arckwlink_none'>供電電壓1.8V~3.6V，運(yùn)行模式下功耗280μA/MHz，待機(jī)模式下功耗1.6μA/MHz，禁用模式下功耗0.1μA/MHz。其次選用的DSP芯片TI的C5510 DSP采用兩種驅(qū)動(dòng)電壓，內(nèi)核電壓1.6V，I/O電壓3.3V，根據(jù)（1）式，IC器件的功耗和供電電壓的平方成正比，1.6V供電的器件比3.3V供電器件能降低一半以上的功耗。IC設(shè)計(jì)中通常都將降低電壓作為控制功耗的最直接的手段，通過采用低電壓供電的DSP，既能有效地降低內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗，還能兼顧I/O的電平兼容性。
　　4.2動(dòng)態(tài)功耗管理
　　PCM編解碼芯片TLV320AIC11可以單獨(dú)將A/D或D/A部分禁用。當(dāng)話筒PTT沒有按下時(shí)，表示沒有話音輸入，此時(shí)可以將A/D部分置為IDLE狀態(tài)。同樣的，當(dāng)MODEM的CD信號(hào)為高時(shí)，表示沒有有效的數(shù)字碼流輸入聲碼器，故在此時(shí)可以將D/A部分設(shè)為IDLE狀態(tài)。通過將該芯片配置成低功耗模式，降低了系統(tǒng)的功耗。另外，C5510 DSP芯片內(nèi)部劃出了五個(gè)獨(dú)立的IDLE域，分別負(fù)責(zé)CPU、DMA、CACHE、外設(shè)、時(shí)鐘生成器、EMIF接口的配置。每個(gè)域可以獨(dú)立地將該域管轄的多個(gè)部件設(shè)置成活動(dòng)模式或IDLE模式以此降低DSP的功耗。針對(duì)本文設(shè)計(jì)，由于沒有使用到DMA、CACHE、時(shí)鐘生成器三個(gè)域中的外設(shè)，故將這三個(gè)域設(shè)置成了IDLE模式。EMIF域在DSP和MSP交換數(shù)據(jù)（為了調(diào)整發(fā)送和接收的比特流）時(shí)才被置為活動(dòng)，其他時(shí)候被置為IDLE。通過這樣的設(shè)置，更加有效地控制了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算功耗。