1 G.721標(biāo)準(zhǔn)概述

1937年，A.H.Reeves提出脈沖編碼調(diào)制(PCM),，開(kāi)創(chuàng)了語(yǔ)音數(shù)字化通信的歷程,。CCITT在20世紀(jì)80年代初，開(kāi)始研究低于64 Kb/s的非PCM編碼算法,，先后制定通過(guò)了G.721,、G.728、 G.729等編碼標(biāo)準(zhǔn),。其中,，G.721協(xié)議作為ADPCM的典型算法，不僅具有與PCM近乎相同的語(yǔ)音質(zhì)量,，而且有簡(jiǎn)單的算法結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的抗誤碼性能,，在衛(wèi)星、海纜及便攜式數(shù)字語(yǔ)音設(shè)備等方面都有廣泛應(yīng)用,。G.721算法的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示,。

編碼過(guò)程：

① 計(jì)算Sl(k)與自適應(yīng)預(yù)測(cè)器輸出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k);

② 通過(guò)自適應(yīng)量化模塊對(duì)E(k)進(jìn)行量化，得到ADPCM碼字I(k);

③ 通過(guò)自適應(yīng)反量化模塊對(duì)I(k)計(jì)算得到量化差分預(yù)測(cè)信號(hào)Dq(k);

④ 根據(jù)重建信號(hào)Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新預(yù)測(cè)濾波器系數(shù);

⑤ 利用新的系數(shù),，計(jì)算得到Se(k+1),，重復(fù)上述5個(gè)步驟，壓縮下一個(gè)語(yǔ)音采樣數(shù)據(jù),。

解碼過(guò)程：

① 通過(guò)自適應(yīng)反量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè)得到Dq(k)和Se(k),，得到語(yǔ)音重建信號(hào)Sr(k);

② 對(duì)重建信號(hào)Sr(k)進(jìn)行PCM格式轉(zhuǎn)換，得到PCM碼字Sp(k);

③ 采用與編碼器相同的方法更新預(yù)測(cè)濾波器系數(shù);

④ 為實(shí)現(xiàn)雙向通信,，同步調(diào)整Sp(k);

⑤ 利用新的濾波器系數(shù),，重復(fù)上述5個(gè)步驟，解碼下一個(gè)I(k),。

圖1 G.721編碼器和解碼器簡(jiǎn)化框圖

2 芯片簡(jiǎn)介

SEP3203芯片為系統(tǒng)處理核心,，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該芯片是東南大學(xué)國(guó)家專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)的基于ARM7TDMI的32位SoC,，采用AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn),，0.25μmCMOS工藝，主要面向嵌入式中低端手持設(shè)備,。片上提供AC97控制器,、外存接口EMI、6通道DMAC,、TIMER,、PMU、INTC等模塊,。其中,，語(yǔ)音系統(tǒng)使用的模塊有：EMI,，負(fù)責(zé)控制對(duì)外存的訪問(wèn);片上存儲(chǔ)器eSRAM，用于優(yōu)化耗時(shí)的核心代碼;AC97,，提供AC97標(biāo)準(zhǔn)的音頻接口;DMAC,，用于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的DMA傳送。

圖2 SEP3203芯片結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示,。虛線框內(nèi)是片內(nèi)模塊;框外為片外器件,，包括外存(SDRAM/SRAM/Flash等)、CODEC等,。Philips公司的UCB1400作為CODEC,。以下為系統(tǒng)工作過(guò)程。

圖3 語(yǔ)音處理硬件系統(tǒng)框圖

① 編碼,。CODEC采樣語(yǔ)音數(shù)據(jù),，暫存在AC97的輸入FIFO中。然后,，由DMAC通過(guò)中斷方式,，將數(shù)據(jù)傳送到指定存儲(chǔ)區(qū)域,。在ARM7TDMI的控制下,，運(yùn)行G.721編碼程序，將語(yǔ)音PCM數(shù)據(jù)壓縮為ADPCM碼,。

② 解碼,。運(yùn)行G.721解碼程序，把存儲(chǔ)器中的ADPCM碼解碼為PCM碼,。每解滿1幀數(shù)據(jù)后,，由DMAC通過(guò)中斷方式把數(shù)據(jù)傳送到AC97的輸出FIFO，通過(guò)CODEC驅(qū)動(dòng)放音設(shè)備(耳機(jī),、揚(yáng)聲器等),。

根據(jù)語(yǔ)音實(shí)時(shí)性的需要，設(shè)置UCB1400采樣速率為8 kb/s,。該芯片用16位表示一個(gè)采樣點(diǎn),，故采樣速率為128 kb/s。編碼后,，每個(gè)采樣點(diǎn)用4位表示,，故傳輸率為32 kb/s。

3.2 軟件系統(tǒng)

軟件流程如圖4所示,。每幀數(shù)據(jù)為64個(gè)采樣點(diǎn),，共計(jì)為128字節(jié)、16位表示的PCM碼,，編碼后為32字節(jié),、4位表示的ADPCM碼,。

圖4 編解碼的軟件流程

(1) 編碼

首先對(duì)系統(tǒng)初始化，包括對(duì)AC97,、CODEC,、DMAC等模塊配置，以及有關(guān)狀態(tài)變量的初始化,。然后,，采樣第1幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)，采樣結(jié)束進(jìn)入DMA中斷,，在中斷處理中再次配置DMAC,，觸發(fā)新的采樣傳輸，并對(duì)剛采樣的數(shù)據(jù)編碼,。由于編碼由內(nèi)核執(zhí)行,，采樣由CODEC和DMA完成，故對(duì)第K幀編碼和對(duì)第K+1幀采樣是并發(fā)進(jìn)行的,。

(2) 解碼

同編碼過(guò)程類(lèi)似,，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后解碼第1幀音頻數(shù)據(jù),。解碼完配置DMAC,，觸發(fā)數(shù)據(jù)傳送至AC97輸出FIFO，通過(guò)放音設(shè)備播放錄音,。同樣,，解碼第K+1幀數(shù)據(jù)與播放第K幀數(shù)據(jù)并發(fā)進(jìn)行。

本設(shè)計(jì)采用“雙Buffer”機(jī)制緩沖數(shù)據(jù),。“雙Buffer”是指：開(kāi)辟兩個(gè)幀緩沖區(qū)為Buf0,、Buf1，緩沖標(biāo)志Flg初始為0,。編碼時(shí),，采樣第1幀數(shù)據(jù)，DMA從AC97輸入FIFO向Buf0傳輸數(shù)據(jù),，傳輸完后,，設(shè)置Flg=1，編碼器從Buf0中取數(shù)據(jù)編碼;同時(shí),，DMA向Buf1中傳送新數(shù)據(jù),。周而復(fù)始，每幀數(shù)據(jù)采樣完,，設(shè)置Flg=!Flg,，編碼器從Buf!Flg緩沖區(qū)取數(shù)據(jù)編碼，DMA傳送采樣數(shù)據(jù)的目的地址為Buf Flg,，從而實(shí)現(xiàn)了第K+1幀數(shù)據(jù)采樣和第K幀數(shù)據(jù)編碼并發(fā),。只要編碼速度高于采樣速度,，就不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的覆蓋。處理過(guò)程如下(解碼時(shí)的情況類(lèi)似)：

4 性能優(yōu)化

語(yǔ)音處理的實(shí)時(shí)性要求很高,，否則,，若數(shù)據(jù)處理速度跟不上語(yǔ)音變化速度，就會(huì)在錄音時(shí)出現(xiàn)剛采樣的數(shù)據(jù)覆蓋了先采入但未處理的數(shù)據(jù);在放音時(shí),，出現(xiàn)播放的速度比實(shí)際語(yǔ)音慢,。當(dāng)然，如果用足夠大的緩沖,，可以避免錄音出現(xiàn)的問(wèn)題,，但放音出現(xiàn)的問(wèn)題是無(wú)法避免的。同時(shí),，鑒于存儲(chǔ)資源對(duì)于嵌入式系統(tǒng)是很寶貴的,，故此方案沒(méi)有實(shí)際價(jià)值。上文介紹的“雙Buffer”機(jī)制,，能夠使采樣和編碼之間,、解碼和播放之間分別互不影響、并發(fā)執(zhí)行,，易于控制;但要滿足實(shí)時(shí)性要求,，還要使編解碼速度符合采樣和播放的要求。語(yǔ)音速率是8 KB/s,，而系統(tǒng)中一個(gè)采樣點(diǎn)用16位表示,，故編解碼速度不能低于16 KB/s(即每秒至少編碼16 KB的PCM碼，每秒至少解出16 KB的PCM碼),。表1是未對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化前，測(cè)試裸機(jī)無(wú)操作系統(tǒng)情況下,，處理512 KB的PCM碼(對(duì)應(yīng)128 KB的ADPCM碼)所用時(shí)間,。該測(cè)試是使用SoC內(nèi)部定時(shí)器TIMER進(jìn)行的，見(jiàn)參考文獻(xiàn),。測(cè)試結(jié)果顯示,系統(tǒng)優(yōu)化前沒(méi)有滿足語(yǔ)音實(shí)時(shí)性要求,。

到此，系統(tǒng)目標(biāo)代碼都是在SDRAM中運(yùn)行的,。SEP3203提供了一個(gè)很有用的模塊——片內(nèi)高速存儲(chǔ)器eSRAM,。eSRAM存取速度非常快,，可達(dá)到0.89 MIPS/MHz,，所以對(duì)系統(tǒng)性能有很大的優(yōu)化作用，而SDRAM卻只能有其性能的1/3左右,。表2是在50 MHz時(shí)鐘,、32位ARM指令情況下,SDRAM和eSRAM的性能比較,。各項(xiàng)指標(biāo)的意義見(jiàn)參考文獻(xiàn),。

但是，SEP3203的20K的資源是有限的，不可能也不必要將所有代碼都放在其中執(zhí)行,。ARM集成開(kāi)發(fā)工具提供了Profile功能，可以對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,，得到各部分代碼(主要以標(biāo)準(zhǔn)C函數(shù)為單位)所耗時(shí)間占系統(tǒng)總時(shí)間的百分比,。通過(guò)對(duì)軟件系統(tǒng)做Profile分析，得到各編解碼庫(kù)函數(shù)在總編解碼時(shí)間內(nèi)所占的百分比,，其中主要部分如表3所列,。

以上三個(gè)函數(shù)在總編解碼時(shí)間內(nèi)占用了近80 %的時(shí)間(Quan()、Fmult(),、Update()的功能分別為量化表查找,、定點(diǎn)化的浮點(diǎn)數(shù)乘法、狀態(tài)變量更新),，對(duì)這些代碼優(yōu)化就會(huì)明顯提高編解碼速度,。把這些函數(shù)代碼整合到文件rec_esram.c中，然后加載remap.scf文件進(jìn)行內(nèi)存映像(*.scf文件是ARM ADS集成開(kāi)發(fā)工具提供的鏈接腳本文件),。下面是remap.scf文件的內(nèi)容：

進(jìn)行內(nèi)存映像后,，rec_esram.c的目標(biāo)代碼rec_esram.o(約為1.5KB)就加載到eSRAM(起始地址為0x1fff0000)中執(zhí)行了。表4是經(jīng)過(guò)eSRAM優(yōu)化后編解碼速度測(cè)試結(jié)果,。

在有操作系統(tǒng)的情況下,，也對(duì)語(yǔ)音系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，如表5所列,。該操作系統(tǒng)為東南大學(xué)專(zhuān)用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)與研究中心自主研發(fā)的面向嵌入式應(yīng)用的ASIXOS,，提供圖形用戶界面、網(wǎng)絡(luò),、時(shí)鐘,、實(shí)時(shí)中斷管理等支持和清晰的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)接口。語(yǔ)音系統(tǒng)為該OS環(huán)境中的一個(gè)應(yīng)用,，有獨(dú)立的用戶界面和底層服務(wù),。限于篇幅，本文不再詳述,。

從以上測(cè)試可以看出,，在經(jīng)過(guò)eSRAM優(yōu)化后，無(wú)論是在裸機(jī)上還是在有操作系統(tǒng)的情況下,，編解碼速度都能滿足語(yǔ)音實(shí)時(shí)性的需要,，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)一款面向多媒體應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，實(shí)時(shí)性能非常重要,。本文提出了一種基于ARM7TDMI內(nèi)核的SoC中語(yǔ)音處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,，并根據(jù)該款SoC具有eSRAM的特點(diǎn)，進(jìn)行了系統(tǒng)性能的優(yōu)化,。對(duì)樣機(jī)的測(cè)試表明系統(tǒng)在主頻70 MHz,、有操作系統(tǒng)的情況下編碼速率為19.88 KB/s，解碼速率為22.68 KB/s,，達(dá)到了語(yǔ)音系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求,。而且，如果語(yǔ)音處理作為樣機(jī)的子系統(tǒng)應(yīng)用,，其硬件設(shè)計(jì)也支持MP3播放和LCD觸摸屏的功能,，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)板面積減小、整機(jī)成本降低的目的,，不失為一種高效價(jià)廉的設(shè)計(jì)方案,。