G.729協(xié)議^[1]是由ITU－T的第15研究小組提出的，并在1996年3月通過的8Kbps的語音編碼協(xié)議。
　　G.729協(xié)議使用的算法是共軛結(jié)構(gòu)的算術(shù)碼本激勵線性預(yù)測(CS－ACELP)，它基于CELP編碼模型^[2]。由于G.729編解碼器具有很高的語音質(zhì)量和很低的延時，被廣泛地應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信的各個領(lǐng)域，如IP phone和H.323網(wǎng)上多媒體通信系統(tǒng)等。
　　針對實時實現(xiàn)G.729的一些難點，我們提出了解決的方法。目前，我們已經(jīng)在Analog Device的定點數(shù)字處理芯片ADSP－2181上實時實現(xiàn)了符合ITU－T G.729
　　編解碼器的全部功能，該編解碼器占用了22MIPS的運算量。我們在ADSP－2181上實現(xiàn)的G.729編解碼器，已經(jīng)通過了ITU－T G.729的全部測試矢量，并且已經(jīng)在數(shù)字語音記錄儀和H.323網(wǎng)上多媒體通信系統(tǒng)中進(jìn)行了推廣應(yīng)用。
1 G.729協(xié)議編解碼算法介紹
1.1 G.729編碼算法介紹
　　電話線路上的模擬語音信號，經(jīng)話路帶寬濾波(符合ITU－T G.712建議)后，被8kHz采樣，量化成16bit線性PCM數(shù)字信號輸入到編碼器。該編碼器是基于線性預(yù)測分析合成技術(shù)，盡量減少實際語音與合成語音之間經(jīng)聽覺加權(quán)后差分信號的能量為準(zhǔn)則來進(jìn)行編碼的。編碼器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其主要部分有：
　　·線性預(yù)測分析和LPC系數(shù)的量化；
　　·開環(huán)基音周期估計；
　　·自適應(yīng)碼本搜索；
　　·固定碼本搜索；
　　·碼本增益量化。

　　下面分別描述這五部分的主要技術(shù)。
　　·線性預(yù)測分析與LPC系數(shù)的量化
　　首先對信號進(jìn)行加線性預(yù)測分析窗，分析窗由兩部分組成。第一部分是半個漢明窗，第二部分是四分之一個余弦信號。將加窗后的語音信號通過Levinson－Durbin算法獲得線性預(yù)測濾波器系數(shù)a_i,i＝1……10。由于線譜對參數(shù)比線性預(yù)測系數(shù)具有更好的內(nèi)插特性和量化特性^[3]， G.729將LPC參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的線
　　譜對參數(shù)，最后對線譜對參數(shù)進(jìn)行量化。
　　·開環(huán)基音分析
　　為了減少自適應(yīng)碼本搜索的復(fù)雜度，需要計算開環(huán)基音T_op，使自適應(yīng)碼本搜索在開環(huán)基音值附近進(jìn)行。基音值的范圍在18～145個樣本點之間。
　　·自適應(yīng)碼本搜索
　　G.729對每個子幀進(jìn)行閉環(huán)基音搜索，它通過最小化原始語音信號和重構(gòu)語音信號的加權(quán)均方誤差來進(jìn)行閉環(huán)基音搜索。對子幀1的閉環(huán)基音T₁的搜索是局限在開環(huán)基音T_op的一個小范圍內(nèi)，對子幀2的閉環(huán)基音T₂的搜索是局限在閉環(huán)基音T₁的一個小范圍內(nèi)。這樣可以減少基音搜索的復(fù)雜度。
　　·固定碼本搜索
　　G.729固定碼本矢量含有四個非0脈沖，每個脈沖的幅度要可以是+1或－1。通過最小化加權(quán)語音信號和加權(quán)重構(gòu)語音信號的均方誤差來進(jìn)行固定碼本的搜索。
　　·增益量化
　　G.729對自適應(yīng)碼本增益和固定碼本增益采用二級共軛結(jié)構(gòu)碼本進(jìn)行矢量量化。在碼本搜索時，采用預(yù)搜索策略，使得運算量只為全搜索算法的1/4。
1.2 G.729解碼算法介紹
　　G.729的解碼也是按幀進(jìn)行的，主要是對符合G.729協(xié)議的碼流進(jìn)行解碼，得到相應(yīng)的參數(shù)，根據(jù)語音產(chǎn)生的機(jī)理，合成語音。解碼的方框圖如圖2所示，其主要部分為：參數(shù)解碼；后濾波處理。

　　G.729解碼過程如下。
　　·參數(shù)解碼
　　首先解碼得到線譜對參數(shù)，并將線譜對參數(shù)轉(zhuǎn)換為線性預(yù)測系數(shù)。然后解碼出基音周期，獲得自適應(yīng)碼本矢量v(n)。解碼出固定碼本矢量的四個脈沖的位置和符號，計算出固定碼本矢量c(n)。解碼出固定本預(yù)測增益gc和固定碼本增益，接著得到激勵信號。最后將激勵信號
　　u(n)輸入到線性預(yù)測合成濾波器中，計算出重構(gòu)語音。
　　·后濾波處理
　　后濾波處理主要是自適應(yīng)后濾波。自適應(yīng)后置濾波器是由三個濾波器級連而成：長時后置濾波器H_p(z)，短時后置濾波器H_f(z)，頻譜傾斜補(bǔ)償濾波器H_t(z)，后面接著進(jìn)行一個自適應(yīng)增益控制過程。后置 濾波器的系數(shù)每一個子幀更新一次。后置濾波能夠有效地改善合成出的語音質(zhì)量。
2 G.729編解碼器的實現(xiàn)
　　我們在Analog Device的定點數(shù)字處理芯片ADSP－2181^[4][5]上實時實現(xiàn)了符合ITU－T G.729的全部功能，進(jìn)行編解碼總共用了22MIPS(ADSP－2181處理速度為33MIPS)。實時實現(xiàn)了G.729的編解碼功能，主要有以下的難點。
　　·數(shù)據(jù)在DSP中的安排。在DSP中只要是聲明的變量，DSP的連接程序就會分配數(shù)據(jù)空間。如果我們象C語言編程那樣定義局部變量，就會浪費大量的存儲空間。
　　·數(shù)據(jù)精度的處理。在16位的定點信號處理芯片上實現(xiàn)一些浮點算法時，為了使運算速度加快，往往要針對定點芯片的特點，用定點數(shù)來表示浮點數(shù)。雖然速度提高了，但是很可能導(dǎo)致運算精度不夠。
　　·有限計算資源的利用。ADSP2181只有33MIPS，而且不能使所有的MIPS都用來實現(xiàn)G.729的編解碼功能。
　　·DSP高速運行時，DSP與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互。
　　·語音信號和編解碼緩沖區(qū)的維護(hù)。這些緩沖區(qū)至少都有兩者要去存儲，如語音信號緩沖區(qū)， 一方面語音編碼模塊要調(diào)用，另一方面采集中斷程序也要調(diào)用它。而在語音編碼模塊調(diào)用的過程中，該緩沖區(qū)不應(yīng)該被其它模塊所改變，所以中斷程序不應(yīng)該此時去存儲這個緩沖區(qū)，這就存在著矛盾。
2.1 軟件設(shè)計
　　軟件設(shè)計主要包括三個部分。
　　· 命令解釋器
　　命令解釋器主要是用于解釋主CPU發(fā)來的各種命令，如發(fā)送或接收編解碼數(shù)據(jù)、查詢編解碼狀態(tài)以及啟動、停止編解碼操作等。該模塊不直接與主CPU打交道，而是通過接口功能模塊，間接實現(xiàn)與主CPU的數(shù)據(jù)信息交換。
　　· G.729數(shù)據(jù)引擎
　　我們在ADSP－2181上完成了G.729的實時編/解碼工作。
　　ADSP－2181不僅包含了ADSP－2100系列的基本結(jié)構(gòu)(三個運算單元、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個程序序列器)，還含有兩個串行口、一個16位的內(nèi)部IDMA口，一個8位的BDMA口、一個可編程定時器、標(biāo)志輸入輸出(Flag I/O)、外部中斷能力以及片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲器等周邊設(shè)備。ADSP－2181片內(nèi)集成了共80K字節(jié)的存儲器，它們分別是16K字(24bit)程序存儲器和16K字(16bit)的數(shù)據(jù)存儲器，大量的片內(nèi)存儲器使得復(fù)雜的G.729編解碼算法能夠全部放入ADSP－2181片內(nèi)，無須增加任何的片外RAM，簡化了硬件設(shè)計和接口。
　　· 接口功能模塊
　　該模塊實現(xiàn)ADSP－2181與主CPU的數(shù)據(jù)實際交換工作。該模塊包括DSP的主控程序和數(shù)據(jù)傳輸兩部分。DSP的主控程序主要負(fù)責(zé)不斷將采集到的語音數(shù)據(jù)分幀，送入編碼器，并將接收到的碼流分類后送入解碼器模塊。數(shù)據(jù)傳輸部分負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和與主CPU的數(shù)據(jù)交換。
2.2 硬件設(shè)計
　　本系統(tǒng)考慮了各CPU之間的數(shù)據(jù)交換與協(xié)調(diào)等問題。ADSP2181具有一個16位的IDMA口，在處理器全速運行的情況下，ADSP－2181可以自動完成IDMA口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，這為系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大的便利。利用ADSP－2181的這個性質(zhì)，我們通過IDMA口來實現(xiàn)ADSP－2181與主CPU的數(shù)據(jù)交互。
　　我們設(shè)計了ADSP－2181與PC機(jī)ISA總線接口的主從系統(tǒng)。在這個主從系統(tǒng)中，PC機(jī)為主CPU，ADSP－2181為從CPU。在啟動時，由PC機(jī)通過IDMA口將程序裝載入ADSP－2181內(nèi)部存儲器中。在ADSP－2181全速運行時，主機(jī)可以查詢從機(jī)的運行狀態(tài)、讀取壓縮后的G.729碼流，也可以送入待解碼的G.729碼流等。
　　在該主從系統(tǒng)中，PC機(jī)通過ADSP－2181的IDMA口來讀寫它的內(nèi)部存儲器。PC總線通過GAL譯碼，形成，IACK信號，與ADSP－2181的IDMA口連接，這樣就實現(xiàn)了在ADSP－2181全速運行的情況下，PC機(jī)仍能訪問到ADSP－2181內(nèi)部存儲器。
　　圖3是主從系統(tǒng)中的ADSP－2181功能與接口的框圖。語音信號由ADSP1847采集，通過ADSP－2181的串口0送入到ADSP－2181進(jìn)行編碼。編碼數(shù)據(jù)通過IDMA口送到主機(jī)進(jìn)行存儲。需要解碼的數(shù)據(jù)從主機(jī)由IDMA口送到ADSP－2181進(jìn)行解碼，解碼后獲得的語音信號通過串口0送至ADSP1847。