基于TMS320C6201的G.723.1多通道語音編解碼分析

摘要：介紹了一種基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３．１全雙工實時多通道語音編解碼的實現(xiàn)。首先簡要介紹了Ｇ．７２３．１標準和Ｃ６２０１的芯片結(jié)構(gòu)，然后提出了基于Ｃ語言和匯編語言的各種優(yōu)化方法以降低計算量，最后給出了各個主要模塊的性能指標。該實現(xiàn)能夠在２００ＭＨｚ的Ｃ６２０１ ＤＳＰ上實現(xiàn)１６路語音信號的實時編解碼，完全符合ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．７２３．１標準的定點算法，通過了ＩＴＵ－Ｔ的所有測試矢量。
　　關鍵詞：語音編碼 定點數(shù)字信號處理器 ＩＴＵ標準
　　當前，Ｖｏｉｃｅ ｏｖｅｒＩＰ（ＶｏＩＰ）技術正在不斷普及，通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的語音通信量也日漸增加。目前ＶｏＩＰ中使用的低碼率語音壓縮標準主要有Ｇ．７２３．１和Ｇ．７２９兩種。隨著ＶｏＩＰ技術的不斷發(fā)展，要求產(chǎn)品的集成度與性能進一步提高，利用新一代高性能ＤＳＰ芯片，實現(xiàn)單片ＤＳＰ處理多路語音信號，是今后的發(fā)展趨勢。本文根據(jù)Ｃ６２０１芯片的特點，作了大量針對Ｇ．７２３．１標準本身的優(yōu)化，降低了運算量，滿足了多路信號的實時實現(xiàn)。
　　１ Ｇ．７２３．１標準介紹
　?。牵罚玻常睒藴适牵桑裕战M織于１９９６年推出的一種低碼率編碼算法。主要用于對語音及其他多媒體聲音信號的壓縮，如可視電話系統(tǒng)、數(shù)字傳輸系統(tǒng)和高質(zhì)語音壓縮系統(tǒng)等。
　?。牵罚玻常睒藴士稍冢叮常耄猓穑蠛停担常耄猓穑髢煞N碼率下工作。其中，高碼率算法具有較高的重建語音質(zhì)量，而低碼率算法的計算復雜度則較低。與一般的低碼率語音編碼算法一樣，Ｇ．７２３．１標準采用線性預測的合成分析法（Ａｎａｌｙｓｉｓ－ｂｙ－Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ）。對激勵信號進行量化時，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碼本激勵線性預測（ＡＣＥＬＰ）。目前，Ｇ．７２３．１已經(jīng)能在多種ＤＳＰ芯片上實現(xiàn)，如美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５ｘ、ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ和朗訊科技公司的ＤＳＰ１６ｘｘ等。
　?。牵罚玻常?a href='http://wenjunhu.com/tags/編碼器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>編碼器能對以８ｋＨｚ采樣的話帶語音信號進行壓縮，其結(jié)構(gòu)框圖見圖１（ａ）。從圖中可以看出，編碼器是基于線性預測合成分析法原理，其目的是最小化感知加權誤差信號。為了降低碼率，Ｇ．７２３．１采用了較長的幀尺寸，每幀２４０個樣值，即３０毫秒幀長。每幀輸入信號首先通過一階高通濾波器濾除直流分量，然后將之分成四個６０個樣值的子幀，每個子幀獨立進行ＬＰＣ分析。為了提高ＬＰＣ系數(shù)的連續(xù)性，采用了長度為１８０個樣值的重疊窗，即同時包含前后兩個子幀，這使算法引入６０個樣值的超前時延，因此算法的總時延為３７．５毫秒。ＬＰＣ系數(shù)用線性譜頻率（ＬＳＦ）表示，ＬＳＦ參數(shù)采用預測分裂矢量量化，只對第四子幀進行。為了提高量化感知質(zhì)量，高通濾波后的語音信號需通過共振峰感知加權濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器以生成初始目標信號。前者參數(shù)由各子幀的未量化ＬＰＣ系數(shù)構(gòu)成，后者通過對每兩子幀進行開環(huán)基音周期估計得到，其中基音周期的范圍為１８到１４２個樣值。ＬＰＣ合成濾波器、共振峰感知加權濾波器和諧振峰噪聲整形濾波器用于系統(tǒng)零輸入響應計算和最佳激勵估計。Ｇ．７２３．１編碼器還包括一個五階基音預測器，其參數(shù)根據(jù)開環(huán)基音估計值和脈沖響應進行閉環(huán)基音搜尋得到。在進行最佳激勵估計時，需從初始目標信號中減去系統(tǒng)零輸入響應和基音預測器貢獻以得到最終目標信號，然后針對高低碼率分別采用ＭＰ－ＭＬＱ和ＡＣＥＬＰ方法進行量化。其中ＬＳＦ參數(shù)、基音值和激勵參數(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)基音值和激勵參數(shù)得到自適應碼本激勵信號和固定碼本激勵信號。為了提高重建語音的主觀質(zhì)量，解碼器還包括一個后濾波器，后濾波器由共振峰和基音后濾波器組成。激勵信號依次通過基音后濾波器、合成濾波器和共振峰后濾波器合成重建語音，其結(jié)構(gòu)框圖見圖１（ｂ）。
　　２ ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１芯片結(jié)構(gòu)簡介
　?。裕停樱常玻埃茫叮玻埃笔且环N３２位的定點ＤＳＰ，工作頻率最高達２００ＭＨｚ。它有兩組運算單元，每組４個，共８個。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單元可以進行移位和加減。Ｃ６２０１有３２個通用寄存器，分為Ａ、Ｂ兩側(cè)。兩側(cè)的寄存器有交叉通路，同一指令可以同時訪問雙側(cè)的寄存器。Ｃ６２０１采用了超長指令字結(jié)構(gòu)，一次最多可以同時執(zhí)行８條指令（每個單元一條）。它有１１級流水，所有的指令都是精簡指令。Ｃ６２０１允許使用緩存（Ｃａｃｈｅ）模式，可以運行大型程序而不降低速度。圖２是Ｃ６２０１的結(jié)構(gòu)。
　?。?標準的實現(xiàn)
　　用Ｃ６２０１實現(xiàn)Ｇ．７２３．１標準的最大優(yōu)勢在于它極強的并行處理能力，用一塊ＤＳＰ可以實現(xiàn)多路語音的壓縮，大大簡化了硬件的設計。Ｃ６２０１是ＴＩ公司推出的第一種支持Ｃ編譯器的ＤＳＰ芯片。通常，Ｃ編譯器能完成整個工作的７０％，而３０％的進一步優(yōu)化必須通過手寫匯編來實現(xiàn)，所以對整個程序的優(yōu)化分為Ｃ語言級和匯編語言級兩部分。