隨著數(shù)字語音壓縮技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,，將高質(zhì)量語音編碼算法實(shí)用化的需求也越來越迫切。16kbit/s LD－CELP ITU－T G.728語音編碼標(biāo)準(zhǔn),，采用后向自適應(yīng)技術(shù),，單向編碼延遲小于2ms，主觀評價(jià)MOS分4.0,，達(dá)到進(jìn)入公眾通信網(wǎng)的需求,，因而廣泛適用于數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、數(shù)字線路倍增設(shè)備(DCME),、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN),、公共交換電話網(wǎng)(PSTN)、話音存儲轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)等,。但其算法復(fù)雜度高,，運(yùn)算量龐大，定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)時(shí),，一路全雙工約需30～40MIPS,。一般通用的數(shù)字信號處理器(DSP)，只能做到一片DSP實(shí)現(xiàn)一路G.728語音編解碼,。
　　TMS320C6201是TI公司最新推出的C6X數(shù)字信號處理芯片系列中具代表性的定點(diǎn)處理芯片,。由于內(nèi)部含有具備超長指令字(VLIW)處理能力的CPU和8個(gè)功能單元，故它可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多達(dá)8條指令。此外,，1M位的片內(nèi)RAM,、可擴(kuò)展的外部RAM接口和靈活的外圍設(shè)備使其成為實(shí)現(xiàn)具有高速運(yùn)算的復(fù)雜處理系統(tǒng)的首選芯片。
　　本文研究了在單片TMS320C6201芯片上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)ITU－T G.728語音編碼標(biāo)準(zhǔn),，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，單片TMS320C6201能實(shí)現(xiàn)至少4路語音編解碼。這對于擴(kuò)展基于G.728標(biāo)準(zhǔn)的單路處理系統(tǒng)的功能或降低基于G.728標(biāo)準(zhǔn)的多路處理系統(tǒng)的系統(tǒng)復(fù)雜度都具有現(xiàn)實(shí)的意義,。
　　文中將扼要介紹G.728編解碼算法和TMS320C6201芯片,，并詳細(xì)討論G.728算法在TMS320C6201上的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，最后給出結(jié)論,。
1 G.728語音編解碼原理簡介
　　圖1給出了G.728語音編解碼器的原理框圖,。

　　編碼器中五個(gè)連續(xù)語音樣點(diǎn)形成一個(gè)5維語音矢量。激勵(lì)碼本中共有1024個(gè)5維的碼矢量,，對于每個(gè)輸入語音矢量,，編碼器利用合成分析法從碼本中搜索出最佳碼矢，然后將其標(biāo)號選出,，LP系數(shù)和增益均由后向自適應(yīng)提取和更新,。
　　解碼操作也是逐個(gè)矢量地進(jìn)行。根據(jù)接收到的碼本標(biāo)號,，從激勵(lì)碼本中找到相應(yīng)的激勵(lì)矢量,，經(jīng)過增益調(diào)整后得到激勵(lì)信號，將其輸入綜合濾波器合成語音信號,，再經(jīng)自適應(yīng)后濾波處理,，以增強(qiáng)語音的主觀感覺質(zhì)量。
　　由于編碼器只緩沖5個(gè)樣點(diǎn)(一個(gè)語音矢量),，在8kHz的采樣率下，算法延遲只有0.625ms,，加上處理延遲和傳輸延遲,，故總的單向編碼延遲小于2ms。采用后向自適應(yīng)技術(shù),，預(yù)測器參數(shù)在解碼端通過LP分析恢復(fù),，不再作為傳輸內(nèi)容，編解碼器間僅需傳送最佳碼矢的索引值,，故碼率為10bit/0.625ms＝16kbit/s,。
2 TMS320C6201定點(diǎn)數(shù)字信號處理芯片簡介
　　TMS320C6201是美國德州儀器公司(TI)最新推出的含多處理單元的C6X數(shù)字信號處理芯片中具有代表性的定點(diǎn)芯片。VLIW結(jié)構(gòu)提供的高輸出量,、高效開發(fā)工具保證的易用性,、以及可接受的價(jià)格，使得TMS320C6201成為高速運(yùn)算的理想選擇,。以下從硬件結(jié)構(gòu)和軟件資源兩方面,，簡要介紹TMS320C6201芯片,。
2.1 C6201的硬件結(jié)構(gòu)
2.1.1 CPU
　　采用了VelociTI的VLIW結(jié)構(gòu)，因而在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)最多可并行執(zhí)行八條32位寬(一個(gè)字長)的指令,，在200MHz的主頻下可以得到1600MIPS的高處理速度,。CPU中包括了兩套對稱的運(yùn)算單元(L，S,，M,，D)和相應(yīng)的兩套寄存器組，每組有16個(gè)32位寬的寄存器,。
2.1.2 存儲空間
　　C6201的地址總線為32位,，尋址范圍達(dá)到4GB。存儲空間可分為四部分：片內(nèi)程序空間,、片內(nèi)數(shù)據(jù)空間,、外部存儲空間和內(nèi)部外圍設(shè)備空間，可通過對五個(gè)BOOTMODE引腳的靈活設(shè)置設(shè)定各空間的地址范圍,。片內(nèi)數(shù)據(jù)空間分成四個(gè)8K×16的交織塊,，使得CPU可同時(shí)訪問數(shù)據(jù)RAM的兩個(gè)塊而不會發(fā)生沖突。片內(nèi)程序空間可設(shè)為Cache ,，存儲經(jīng)常使用的代碼,，減少片外訪問次數(shù)，從而提高程序運(yùn)行速度,。
2.1.3 外設(shè)
　　C6201的外圍設(shè)備包括DMA控制器,、主機(jī)接口(HPI)、中斷選擇等,。兩個(gè)多通道緩存串行口(McBSP),，除多通道、雙緩存外,，還支持多種數(shù)據(jù)格式,、硬件A/μ率壓擴(kuò)、位時(shí)鐘和幀時(shí)鐘的靈活編程,。
2.2 C6201的軟件資源
2.2.1 豐富的指令
　　C6201的指令集共有五十余條指令,，大部分是單周期的，可完成數(shù)據(jù)傳輸,、算術(shù)邏輯運(yùn)算和程序控制等功能,。指令支持8/16/32位數(shù)據(jù)存取，給不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)操作帶來方便,。由于多處理單元的采用,，在無資源沖突下，C6201最多可并行執(zhí)行8條基本指令。
2.2.2 流水線操作
　　流水線操作和超長指令字是C6201的高性能特點(diǎn),。其指令執(zhí)行可分為四個(gè)步驟：取指(Fetch),、指令拆裝(Dispatch)、譯碼(Decode),、執(zhí)行(Execute),。流水線操作即指以上四個(gè)步驟的并行操作。由于引入了多單元結(jié)構(gòu)和超長指令字,，所以和常見的數(shù)字處理芯片相比,，多了一個(gè)指令拆裝的過程。
2.2.3 靈活的尋址方式
　　C6201支持多種尋址方式,，如寄存器尋址,、直接尋址、短立即數(shù)尋址,、長立即數(shù)尋址和相對尋址,。此外，它還提供循環(huán)尋址方式,，適用于相關(guān)和卷積運(yùn)算中的存儲器尋址,。
3 G.728在TMS320C6201上的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)
3.1 硬件結(jié)構(gòu)
　　由上面介紹的TMS320C6201的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可見，以C6201為核心器件,，輔以相應(yīng)的輸入輸出電路,，可完成對單路語音信號的實(shí)時(shí)編解碼工作，同時(shí)具備多路(如T1/E1一次群)語音信號的輸入輸出接口,。
　　本文應(yīng)用了TI公司的TMS320C6201EVM板,。板上配有單片TMS320C6201和與串口McBSP0連接的16位A/D芯片CS4231。EVM板通過ISA總線與PC機(jī)相連,，啟動時(shí)由PC機(jī)將程序裝載入C6201的片內(nèi)存儲空間,，在C6201全速運(yùn)行時(shí)，PC機(jī)可以查詢其運(yùn)行狀態(tài),，讀取壓縮后的G.728碼流,，或送入待解碼的G.728碼流。串口0接CS4231,，用于接收和發(fā)送模擬信號；串口1用于接收和發(fā)送已壓縮的G.728碼流,，因此系統(tǒng)可仿真實(shí)現(xiàn)單路G.728語音編解碼,。通過進(jìn)一步對算法復(fù)雜度的分析，可判斷多路G.728編解碼的實(shí)現(xiàn)能力,。
3.2 軟件開發(fā)
　　編解碼軟件采用定點(diǎn)算法,，用標(biāo)準(zhǔn)ANSIC語言和TMS320C6201匯編語言混合編制完成。軟件包括主處理程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖2所示,。

　　在編程中,，需注意以下幾點(diǎn)：
　　(1)雙緩沖區(qū)的運(yùn)用
　　為實(shí)時(shí)處理輸入語音和合成語音，避免數(shù)據(jù)覆蓋,，必須設(shè)置兩個(gè)雙緩沖區(qū),。對編碼過程而言，當(dāng)串口將語音信號寫入輸入緩沖區(qū)A時(shí),，編碼器處理輸入緩沖區(qū)B中已存儲的5個(gè)語音樣點(diǎn),；同理，對解碼過程,，當(dāng)串口送出輸出緩沖區(qū)A’中合成語音時(shí),，解碼器的輸出結(jié)果寫入緩沖區(qū)B’。在中斷程序中,，計(jì)數(shù)判斷何時(shí)切換相應(yīng)緩沖區(qū),。
　　(2)數(shù)據(jù)精度的處理
　　C6201是定點(diǎn)DSP芯片，為確保運(yùn)算精度和防止數(shù)據(jù)溢出,，在實(shí)現(xiàn)時(shí)主要采用了兩種方法：一是對某些精度要求較高的運(yùn)算,，將計(jì)算的中間變量采用32位來表示；二是對于幅度范圍變化比較大的變量或數(shù)組,，如激勵(lì)增益,、50階杜賓算法的自相關(guān)數(shù)組等，采用標(biāo)量浮點(diǎn)或塊浮點(diǎn)表示,，用一個(gè)字存儲使該數(shù)或數(shù)組歸一化所需的左移位數(shù)(NLS),，其余字存儲歸一化后的尾數(shù)。
　　(3)存儲空間的分配
　　C6201 1M位的片內(nèi)存儲區(qū)包括64Kbyte程序空間和64Kbyte數(shù)據(jù)空間,，足夠單路G.728編解碼算法的使用,。但若應(yīng)用于多路語音處理，則需謹(jǐn)慎分配存儲空間,。由于編解碼程序,、常數(shù)表格等均可公用，多路應(yīng)用主要考慮數(shù)據(jù)空間的使用,。對臨時(shí)變量,、數(shù)組等采用公共域(UNION)分時(shí)存儲技術(shù)，能有效提高存儲空間的利用率,，確保全部數(shù)據(jù)都在片內(nèi)處理,。
　　(4)計(jì)算量的均衡
　　C6201的高速運(yùn)算能力，使實(shí)現(xiàn)G.728編解碼算法不再需要考慮運(yùn)算量的均衡,。但若考慮到與其它實(shí)時(shí)性要求高的控制處理模塊協(xié)調(diào)工作,，則仍需按標(biāo)準(zhǔn)中介紹的方法均衡運(yùn)算量,。
3.3 軟件優(yōu)化
　　TMS320C6201的代碼開發(fā)流程與傳統(tǒng)DSP截然不同，它是一個(gè)不斷調(diào)整C代碼與線性匯編代碼比例的過程,，力求在性能與開發(fā)周期上尋得最佳平衡點(diǎn),。代碼開發(fā)有三步：
　　第一步，在通用的C平臺上開發(fā)ANSIC代碼,，調(diào)試通過后不做任何變化地移植到C6201開發(fā)平臺上,，由C編譯器完成所有的優(yōu)化。利用測試工具判斷代碼性能是否達(dá)到要求,，從而決定是否需要后續(xù)的優(yōu)化步驟,。這一階段，開發(fā)者不需要對DSP有所了解,，開發(fā)容易,，但C編譯器優(yōu)化后的代碼并行性差，未能充分利用C6201獨(dú)特的硬件結(jié)構(gòu)和軟件資源,，運(yùn)行效率低,。
　　第二步，優(yōu)化C代碼,。在此階段,，開發(fā)者應(yīng)該根據(jù)C6201的特點(diǎn)，如充分利用數(shù)據(jù)寬度,、使用內(nèi)在函數(shù)等,，對C代碼加以改進(jìn)。這一階段要求開發(fā)者了解C6201DSP并掌握常用的技巧,。經(jīng)過此步優(yōu)化后,，代碼的效率將大幅度提高。
　　第三步,，編寫線性匯編代碼,。當(dāng)上一步的優(yōu)化仍不能滿足要求時(shí)，就必須把那些對效率影響重大的模塊抽取出來,，改由線性匯編語言實(shí)現(xiàn),。在這一階段，編程者一定要對C6201DSP有深入的了解并具備一定的編程經(jīng)驗(yàn),，才能較好地解決諸如資源分配,、消除數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性等關(guān)鍵問題。此步優(yōu)化難度較大,，但運(yùn)用于核心模塊,，能顯著提高代碼的并行性。
　　在TMS320C6201優(yōu)化G.728代碼過程中,，主要應(yīng)用了以下技巧：
　　(1)資源分配的技巧
　　C6201的8個(gè)功能單元能并行處理,，因此在一個(gè)算法中用得最多的那個(gè)運(yùn)算單元會構(gòu)成瓶頸。最常發(fā)生的是內(nèi)存訪問瓶頸,，循環(huán)展開是有效的解決方法,。充分利用數(shù)據(jù)寬度，將半字(16bit)訪問改用字(32bit)訪問就是簡單而又有效的循環(huán)展開技術(shù),。
　　循環(huán)展開是提高資源利用率的主要方法,，但它所引起的代碼空間膨脹也是驚人的。在編程時(shí),，必須在程序空間和程序速度這一對矛盾中作出合適的折衷,。
　　(2) 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性簡化的技巧
　　數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性是并行編程中的最大障礙，有兩種典型情況：
　?、?存在循環(huán)反饋路徑
　　此種路徑常見于遞歸算法中,。當(dāng)下一次的循環(huán)中必須讀取上一次循環(huán)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，就形成了一條循環(huán)反饋路徑,。由于反饋路徑不可能消除,，唯一的方法是盡量縮短它，減少不可并行的操作,。
　?、?生存期過長
　　當(dāng)變量生存期過長時(shí)，軟件流水化會導(dǎo)致誤操作,。有兩種解決方法：一是循環(huán)展開,，因?yàn)檠h(huán)展開會增加循環(huán)核心周期數(shù)；二是用MV指令增加一個(gè)中間變量,，使原變量的生存期由兩個(gè)變量共同承擔(dān),。
　　(3) 解決存儲空間沖突的技巧
　　此沖突是引起C6201執(zhí)行速度急劇下降的主要原因，但在編程時(shí)卻很容易被忽略,。前面介紹的C6201的存儲區(qū)結(jié)構(gòu),，64Kbyte的片內(nèi)數(shù)據(jù)空間分成四塊，每一塊在每個(gè)周期只能被訪問一次,，否則就會產(chǎn)生存儲空間沖突,。執(zhí)行時(shí)，流水線會自動暫停一個(gè)周期,。
　　在調(diào)試,、優(yōu)化程序的過程中，隨時(shí)觀察有無流水線沖突,，通過調(diào)整存儲空間分配,，可基本解決這一問題。
3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　表1給出了G.728編解碼算法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)所需的計(jì)算量和內(nèi)存占用狀況,。在200MHz主頻下,，TMS320C6201芯片處理能力為200MCPS(Million Cycle per Second),，在最充分發(fā)揮并行潛力時(shí)，可達(dá)到1600MCPS(200×8＝1600),。由表中可見,，G.728算法實(shí)現(xiàn)編碼需24.4MCPS，解碼需14.3MCPS,，程序空間和數(shù)據(jù)空間分別占用55.8Kbyte和11.4Kbyte,，故單片C6201可實(shí)現(xiàn)四路G.728語音編解碼。