基于TMS320C6201的G.723.1多通道語(yǔ)音編解碼分析

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(yǔ)音編解碼的實(shí)現(xiàn)。首先簡(jiǎn)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(yǔ)言和匯編語(yǔ)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(yǔ)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(guò)了ＩＴＵ－Ｔ的所有測(cè)試矢量。
　　關(guān)鍵詞：語(yǔ)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(guò)Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的語(yǔ)音通信量也日漸增加。目前ＶｏＩＰ中使用的低碼率語(yǔ)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(yǔ)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(mǎn)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
　?。牵罚玻常睒?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(yǔ)音及其他多媒體聲音信號(hào)的壓縮，如可視電話(huà)系統(tǒng)、數(shù)字傳輸系統(tǒng)和高質(zhì)語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音編碼算法一樣，Ｇ．７２３．１標(biāo)準(zhǔn)采用線(xiàn)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(xiàn)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(guó)ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５ｘ、ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ和朗訊科技公司的ＤＳＰ１６ｘｘ等。
　?。牵罚玻常?a href='http://www.ttokpm.com/tags/編碼器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>編碼器能對(duì)以８ｋＨｚ采樣的話(huà)帶語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖１（ａ）。從圖中可以看出，編碼器是基于線(xiàn)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(zhǎng)的幀尺寸，每幀２４０個(gè)樣值，即３０毫秒幀長(zhǎng)。每幀輸入信號(hào)首先通過(guò)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(zhǎng)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(xiàn)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(yǔ)音信號(hào)需通過(guò)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(guò)對(duì)每?jī)勺訋M(jìn)行開(kāi)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(kāi)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(yǔ)音的主觀(guān)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(guò)基音后濾波器、合成濾波器和共振峰后濾波器合成重建語(yǔ)音，其結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖１（ｂ）。
　　２ ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
　?。裕停樱常玻埃茫叮玻埃笔且环N３２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?jìng)€(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(fǎng)問(wèn)雙側(cè)的寄存器。Ｃ６２０１采用了超長(zhǎng)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(jiǎn)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)。
　?。?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(yǔ)音的壓縮，大大簡(jiǎn)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(guò)手寫(xiě)匯編來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以對(duì)整個(gè)程序的優(yōu)化分為Ｃ語(yǔ)言級(jí)和匯編語(yǔ)言級(jí)兩部分。