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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn),。首先簡要介紹了G.723.1標(biāo)準(zhǔn)和C6201的芯片結(jié)構(gòu),，然后提出了基于C語言和匯編語言的各種優(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路語音信號的實(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,，通過了ITU－T的所有測試矢量。
　　關(guān)鍵詞： 語音編碼 定點(diǎn)數(shù)字信號處理器 ITU標(biāo)準(zhǔn)

　　當(dāng)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(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處理多路語音信號,，是今后的發(fā)展趨勢。本文根據(jù)C6201芯片的特點(diǎn),，作了大量針對G.723.1標(biāo)準(zhǔn)本身的優(yōu)化,，降低了運(yùn)算量，滿足了多路信號的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn),。
1 G.723.1標(biāo)準(zhǔn)介紹
　　G.723.1標(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(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,。與一般的低碼率語音編碼算法一樣，G.723.1標(biāo)準(zhǔn)采用線性預(yù)測的合成分析法(Analysis－by－Synthesis),。對激勵信號進(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)碼本激勵線性預(yù)測(ACELP),。目前,，G.723.1已經(jīng)能在多種DSP芯片上實(shí)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(jìn)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(gè)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(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(jìn)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(biāo)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(jìn)行開環(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)算和最佳激勵估計(jì),。G.723.1編碼器還包括一個(gè)五階基音預(yù)測器，其參數(shù)根據(jù)開環(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)行最佳激勵估計(jì)時(shí),，需從初始目標(biāo)信號中減去系統(tǒng)零輸入響應(yīng)和基音預(yù)測器貢獻(xiàn)以得到最終目標(biāo)信號，然后針對高低碼率分別采用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(gè)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(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個(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(shí)執(zhí)行8條指令(每個(gè)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(yùn)行大型程序而不降低速度,。圖2是C6201的結(jié)構(gòu),。

3 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)多路語音的壓縮,，大大簡化了硬件的設(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)化必須通過手寫匯編來實(shí)現(xiàn)，所以對整個(gè)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(shí),，一個(gè)重要的思想就是充分利用DSP的字長和數(shù)目眾多的運(yùn)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(shí)鐘周期內(nèi)能運(yùn)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(yùn)算單元運(yùn)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?yàn)镈SP在進(jìn)行內(nèi)存操作時(shí),，往往需要若干周期的延遲，如Load指令要有4個(gè)周期的延遲,，Store指令需要2個(gè)周期的延遲,。為了減少耗時(shí)的內(nèi)存操作，可以在程序進(jìn)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(shí)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(shí)現(xiàn)某些需若干C語句才能實(shí)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(shí)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(yùn)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(gè)字中的對應(yīng)半字同時(shí)加或同時(shí)減,、兩個(gè)字中的對應(yīng)半字同時(shí)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(yùn)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(jì)算可以省略,。
　　另外，在G.723.1標(biāo)準(zhǔn)中存在大量的10階FIR和10階IIR濾波器運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)提供的算法,，要專門用一個(gè)10階循環(huán)更新內(nèi)存。如果用一個(gè)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(yùn)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(dāng)它在內(nèi)存中連續(xù)排列時(shí),，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(gè)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(yùn)行效率。必須注意的是,，在使用字長優(yōu)化時(shí),，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(shí)，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(fèi)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(shí)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(gè)循環(huán)的效率,。
4 實(shí)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(shí)現(xiàn)了一路G.723.1的編解碼需要花費(fèi)10.6MCPS,，整個(gè)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(shí)時(shí)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(yùn)算量,。

　　本文提出的利用C6201 DSP進(jìn)行ITU－T G.723.1全雙工、實(shí)時(shí)多通道語音編解碼的實(shí)現(xiàn),。該實(shí)現(xiàn)可以在IP電話,、視頻會議中得到廣泛應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
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3 TMS320C62x/C67x CPU and Instruction Set Reference Guide.Texas Instruments Inc、 1998
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