摘　要: 介紹了一種基于ti" title="ti">title="TMS320C6201" title="TMS320C6201">TMS320C6201">TMS320C6201的ITU－T G.723.1" title="G.723.1">G.723.1全雙工實時多通道" title="多通道">多通道語音編解碼" title="語音編解碼">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(guān)鍵詞： 語音編碼 定點數(shù)字信號處理器 ITU標準

　　當前，Voice over IP(VoIP)技術(shù)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(shù)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
　　G.723.1標準是ITU組織于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。
　　G.723.1標準可在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音質(zhì)量，而低碼率算法的計算復(fù)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(yù)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(shù)碼本激勵線性預(yù)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。
　　G.723.1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(yù)測合成分析法原理，其目的是最小化感知加權(quán)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(yù)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(quán)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(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)計算和最佳激勵估計。G.723.1編碼器還包括一個五階基音預(yù)測器，其參數(shù)根據(jù)開環(huán)基音估計值和脈沖響應(yīng)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(yīng)和基音預(yù)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(yīng)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
　　TMS320C6201是一種32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)。

3 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(shè)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。
3.1 C語言級的優(yōu)化
3.1.1 循環(huán)展開(loop－unrolling)
　　使用具有并行能力的DSP開發(fā)軟件時，一個重要的思想就是充分利用DSP的字長和數(shù)目眾多的運算單元，盡量把循環(huán)體展開。通過增加每次循環(huán)中執(zhí)行的指令數(shù)來減少總的循環(huán)次數(shù)，可使得在同樣的時鐘周期內(nèi)能運行更多的指令，提高了循環(huán)的效率。
3.1.2 提高寄存器的利用率
　　DSP芯片內(nèi)部的運算單元運行效率非常高，但如果寄存器和數(shù)據(jù)總線之間的數(shù)據(jù)交換頻繁，將使DSP的執(zhí)行效率大打折扣。因為DSP在進行內(nèi)存操作時，往往需要若干周期的延遲，如Load指令要有4個周期的延遲，Store指令需要2個周期的延遲。為了減少耗時的內(nèi)存操作，可以在程序進入循環(huán)體之前，將要頻繁使用的數(shù)據(jù)預(yù)先放入寄存器，然后反復(fù)調(diào)用，實踐證明這種方法可以提高一部分效率。
3.1.3 使用內(nèi)在函數(shù)(Intrinsic)
　　內(nèi)在函數(shù)是在某些C6201DSP的匯編指令前加上“_”構(gòu)成、它可以方便地實現(xiàn)某些需若干C語句才能實現(xiàn)的功能。它是一種非常簡便高效的優(yōu)化方法，它的調(diào)用格式和普通C函數(shù)一樣，但在編譯時編譯器會自動將Intrinsic用對應(yīng)的匯編指令替代。C6201指令集中絕大多數(shù)的運算邏輯指令都可以這樣使用，比如飽和絕對值、飽和加、飽和減、飽和乘、兩個字中的對應(yīng)半字同時加或同時減、兩個字中的對應(yīng)半字同時乘或交叉乘、歸一化及位操作等。經(jīng)過此步優(yōu)化后，大部分循環(huán)體都可以生成較為有效的流水內(nèi)核(piplined kernel)。用Intrinsic替代G.723.1原先的C代碼，運算量下降為原來的1/10。
3.1.4 對算法的冗余部分合理精簡
　　經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)ITU－T G.723.1的C代碼存在冗余部分。象6.3k碼率的MP－MLQ搜索模塊中，只需要用到偶數(shù)位置的脈沖響應(yīng)的自相關(guān)，所以對奇數(shù)位置的脈沖響應(yīng)自相關(guān)計算可以省略。
　　另外，在G.723.1標準中存在大量的10階FIR和10階IIR濾波器運算，如編碼部分的感知加權(quán)、零輸入響應(yīng)、解碼部分綜合濾波器和后濾波等，F(xiàn)IR和IIR的通用形式可以表示為：
　　
　　每次循環(huán)，F(xiàn)IR濾波器內(nèi)存要用新的輸入值更新，IIR濾波器內(nèi)存要用新的輸出值更新，使用按標準提供的算法，要專門用一個10階循環(huán)更新內(nèi)存。如果用一個10單位大小的循環(huán)緩存區(qū)，每次用新值覆蓋最老的樣值，動態(tài)調(diào)整循環(huán)緩存區(qū)的頭指針，可以節(jié)省原先用于內(nèi)存更新的cycle。
3.2 匯編級優(yōu)化
　　由于C編譯器只能完成70%的工作、且對于復(fù)雜的循環(huán)，C編譯器無法生成高效率的代碼，所以對運算量大的模塊只能用手寫匯編。
3.2.1 字長優(yōu)化
　　C6201的字長為32位，它支持按字節(jié)、半字、字存取。對于16位的數(shù)組，當它在內(nèi)存中連續(xù)排列時，用32位讀寫指令LDW或STW替代16位讀寫指令LDH或STH，循環(huán)次數(shù)可減少一半。另外，C6201的匯編指令支持兩個32位寄存器的高16位和低16位之間互乘，結(jié)果分別放到不同的寄存器中，互不影響。具體指令為SMPY(L×L)、SMPYH(H×H)、SMPYHL(H×L)和SMPYLH(L×H)。通過字長優(yōu)化，可以大大提高程序的運行效率。必須注意的是，在使用字長優(yōu)化時，數(shù)組在內(nèi)存中的位置必須對齊32位邊界。
3.2.2 對外循環(huán)的優(yōu)化
　　C6201的C編譯器對多重循環(huán)的最內(nèi)層一般能較好地優(yōu)化到一句到兩句，但對外循環(huán)的優(yōu)化效率則差很多。手寫匯編時，可以先將內(nèi)循環(huán)展開，再把外循環(huán)的指令并入其中，可以減少所耗費的cycle數(shù)。
　　C6201的循環(huán)一般分前導(dǎo)(Prolog)、內(nèi)核(Kernel)及排空(Epilog)三部分。代碼的并行程度從Prolog開始不斷提高，Kernel內(nèi)的并行程度最高，Epilog與Prolog相反，并行性逐漸降低。在多重循環(huán)中，如果盡量把內(nèi)循環(huán)前導(dǎo)部分的指令與填入排空部分未用的單元，一起執(zhí)行，可以在執(zhí)行本次循環(huán)的排空語句的同時執(zhí)行下次循環(huán)的前導(dǎo)語句。這樣可不多花cycle而提高整個循環(huán)的效率。
4 實現(xiàn)結(jié)果
　　經(jīng)過C語言級和匯編級的多種優(yōu)化，最后實現(xiàn)了一路G.723.1的編解碼需要花費10.6MCPS，整個代碼的程序空間為208K byte(程序中包括了部分c6201的庫函數(shù))，數(shù)據(jù)空間為8K byte，碼本大小20k byte，多通道的上下文數(shù)據(jù)為1.48K byte。200MHz的C6201每秒可以實時編解碼16路語音信號。所有代碼全部通過了ITU－T測試矢量的測試。表1是各主要模塊的運算量。

　　本文提出的利用C6201 DSP進行ITU－T G.723.1全雙工、實時多通道語音編解碼的實現(xiàn)。該實現(xiàn)可以在IP電話、視頻會議中得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻
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2 TMS320C62x/C67x Prorammer’s Guide.Texas Instru－ments Inc、 1998
3 TMS320C62x/C67x CPU and Instruction Set Reference Guide.Texas Instruments Inc、 1998
4 TMS320C6000 Optimizing C Compiler User′s Guide.Texas Instruments Inc、 1999