當(dāng)前,Voice over IP（VoIP）技術(shù)正在不斷普及,其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,。

　　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它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。對激勵信號進(jìn)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）。

　　2　算法介紹

　　語音信號的參數(shù)模型是用激勵信號激勵一個系統(tǒng)模型來模仿氣流沖激聲道產(chǎn)生的聲音,。線性預(yù)測法基于全極點(diǎn)模型假定,，采用時域均方誤差最小準(zhǔn)則來估計模型參數(shù)。分析過程中要提取的參數(shù)包括聲道系統(tǒng)的LSP參數(shù),、自適應(yīng)碼本的延遲和增益,，以及固定碼本中脈沖的位置和符號。

　　G．723．1編碼器能對以8kHz采樣的話帶語音信號進(jìn)行壓縮,。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(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(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(jìn)行閉環(huán)基音搜尋得到。在進(jìn)行最佳激勵估計時,，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,。

　　2．1　聲道模型參數(shù)的提取

　　十階全極點(diǎn)模型系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

　　其中，S（z）和U（z）分別是輸出信號s（n）和輸入信號u（n）的Z變換,。因此誤差信號為： 

　　要使均方誤差最小,，｛ak｝必定滿足＝1，2,，．．．10）,，由此可得到以k為變量的方程組：

　　其中，R（n）為S（n）的自相關(guān)函數(shù)值,。對于這個Toeplitz矩陣,，用Durbin遞推算法可方便求解。

　　因?yàn)榫€譜對參數(shù)（LSP）良好的量化特性和內(nèi)插特性,，LPC參數(shù)要轉(zhuǎn)換為LSP參數(shù)進(jìn)行傳輸,。

　　設(shè)線性濾波器的逆濾波器為

　　ωi和θi分別是P（z）和Q（z）的第i個零點(diǎn)。ωi和θi成對出現(xiàn),，反映信號的頻譜特性,，因此稱為線譜對,。對P（z）和Q（z）的系數(shù)做離散傅立葉變換得到zk＝e－jπk／N（k＝0,，1，2．．．N）各點(diǎn)的值,，搜索極小值點(diǎn)的位置,，就是可能的零點(diǎn)位置。

　　2．2　自適應(yīng)碼本的搜索

　　開環(huán)搜索是基于整幀的整數(shù)基音估計,。為了提高可靠性,，對原始信號進(jìn)行預(yù)處理，用中心削波函數(shù)對原始信號進(jìn)行削波。然后用自相關(guān)基音檢測法估

　　計基音Top,。閉環(huán)搜索是基于子幀的基音細(xì)搜索,。將LPC合成濾波器、共振峰感知加權(quán)濾波器和諧波噪聲濾波器一起構(gòu)成綜合濾波器,，計算出該綜合濾波器的沖激響應(yīng),。用估算出的開環(huán)基音周期和計算所得綜合濾波器的沖激響應(yīng)，通過一個五階的基音預(yù)測器,，可計算出閉環(huán)基音周期,。

　　2．3　固定碼本的搜索

　　對自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差余量信號進(jìn)行固定碼本搜索。

　　對高碼率（6．3kbps）的固定碼本搜索采用脈沖最大似然量化法（MP－MLQ）,。激勵信號可表示為

　　其中,，G為增益因子，δ（n）為單位脈沖響應(yīng),，｛ak｝和｛mk｝分別是單位脈沖響應(yīng)的符號和位置,。M為脈沖的數(shù)目，偶數(shù)幀取6,，奇數(shù)幀取5,。

　　編碼算法的任務(wù)是估計G、｛ak｝和｛mk｝,，使誤差信號e〔n〕的均方值最小,。

　　其中，r〔n〕表示目標(biāo)矢量,，自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差信號,，h〔n〕表示加權(quán)合成濾波器的沖激響應(yīng)。

　　對低碼率（5．3kbps）編碼器固定碼本搜索采用代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測法（ACELP）,。每一子幀中有4個脈沖,，它們可能的位置如表1所示。

　　表1

　　碼本搜索同樣是使加權(quán)語音信號r〔n〕與加權(quán)合成語音信號之間均方誤差最小,。即：

　　其中,，r表示目標(biāo)矢量，自適應(yīng)碼本搜索后得到的殘差信號,，G是碼本增益,，vξ是代數(shù)碼本中索引ξ對應(yīng)的碼本，H是加權(quán)合成濾波器的截斷沖激響應(yīng),。

　　要求最佳碼本,，即要搜索使τξ最大的ξ 

　　其中，τξ是一個中間參數(shù),，d是r〔n〕和h〔n〕之間的相關(guān)值,，Φ是沖激響應(yīng)的協(xié)方差矩陣,。C、ε的計算：

　　對奇位置的碼矢量,，先把偶脈沖移一個樣本位置,，然后用上式計算。

　　3　算法實(shí)現(xiàn)

　　3．1　硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

　　模擬的語音信號通過TP3057的A／D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號送入ADSP－2181（采樣頻率8kHz）,。TP3057是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的A律編／解碼器，它包含一個利用A／D和D／A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的A律脈沖編碼調(diào)制的編解碼器／濾波器單片電路和一個串行PCM接口,。其中,，編碼部分還包含一個可調(diào)輸入增益的放大器、一個有源RC前置濾波器,、自動調(diào)零電路,、一個A率壓縮編碼器。解碼部分包括一個A律解碼器和截止頻率為3400Hz的低通濾波器,。前者從A律壓擴(kuò)的信號中重建模擬信號,，后者校正譯碼器輸出的sinx／x響應(yīng)并濾除高頻信號。

　　ADSP－2181是Analog Devices公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)越的單片機(jī),適合于高速的數(shù)字信號處理,。 ADSP－2181除了三個運(yùn)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,、外部中斷能力及片內(nèi)程序和數(shù)據(jù)存儲器,。片內(nèi)集成了80k字節(jié)的存儲器，包括16k長度為24bit的程序存儲器和16k長度為16bit的數(shù)據(jù)存儲器,。

　　利用IDMA口的自動接受發(fā)送功能,，可以方便地實(shí)現(xiàn)ADSP－2181與主CPU間的數(shù)據(jù)交互。PC機(jī)通過IMDA口將程序裝載入ADSP－2181內(nèi)部存儲器中,。在ADSP－2181全速執(zhí)行時,，主機(jī)可以查詢其狀態(tài)，讀取壓縮后的碼流,，也可送入待解碼的數(shù)據(jù),。

　　3．2　軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計包括三個模塊：接口模塊、編碼模塊和解碼模塊,。

　　接口模塊實(shí)現(xiàn)ADSP－2181與主CPU之間的數(shù)據(jù)交換,。該模塊包括DSP的主控程序和數(shù)據(jù)傳輸兩部分,。DSP的主控程序負(fù)責(zé)將采集到的語音數(shù)據(jù)分幀,，送入編碼器，并將接受到的碼流分類后送入解碼模塊。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,。

　　DSP程序根據(jù)ITU－TG．723．1標(biāo)準(zhǔn)定點(diǎn)算法,分為初始化（G723—Init）,、編碼（G723—Incode）、解碼（G723—Decode)三個模塊,。

　　G723—Icode對包含240個采樣點(diǎn)的一幀信號進(jìn)行編碼,，返回12個或10個字長的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

　　輸入數(shù)據(jù)由串口得到,，放在數(shù)組G723—Enc—Inp中,，返回值放在數(shù)組G723—Enc—Out中，對于6.3kbps長工為12個字,，對于5.3kbps長度為10個字,。其格式按照G．723．1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝。

　　G723—Decode根據(jù)接收到的12字或10字打包數(shù)據(jù)重建240個語音樣點(diǎn),。輸入數(shù)據(jù)放在G723　

　　Dec—Inp中,，輸出放在數(shù)組G723—Dec—Out中。

　　主機(jī)程序采用VisualC＋＋編寫,，通過串口與DSP通信,。

　　3．3　C語言的優(yōu)化

　　開發(fā)中采用AD公司的集成仿真軟件VisualDSP＋＋，但是通常,，C編譯器能完成整個工作的70％,，而30％的進(jìn)一步優(yōu)化必須通過手寫匯編來實(shí)現(xiàn)。

　　3．3．1　循環(huán)展開

　　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(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),，可使得在同樣的時鐘周期內(nèi)能運(yùn)行更多的指令,，提高了循環(huán)的效率。

　　3．3．2　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,，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(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,。

　　4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　所有代碼全部通過了ITU－T測試矢量的測試,。

　　測試結(jié)果表明，對于高碼率（6．3kbps）所需計算量為24．8MIPS,，對于低碼率（5．3kbps）,，所需計算量為21．3MIPS。該實(shí)現(xiàn)可以在IP電話,、視頻會議中得到廣泛應(yīng)用,。