G.729语音编码算法研究及其DSP实现

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图３硬件设计框图
３．３ ＤＳＰ的软件实现 语音编解码程序完成Ｇ．７２９算法，即语音的
编码和解码。语音编码程序主要由以下５个子模块 组成：（１）完成采样语音的预处理、线性预测分析 和ＬＰＣ到ＬＳＰ的转换；（２）完成ＬＳＰ的量化；（３） 生成内插后的线性预测编码系数，计算加权语音 和搜索开环基音延迟；（４）完成闭环分数延时搜索 和自适应码本搜索；（５）完成更新码本搜索和滤波 存储器的更新。语音解码是编码的逆过程，主要 由以下２个子模块组成：子模块１实现帧系数的恢 复，每帧进行一次；子模块２包括子帧系数的恢 复、语音的合成和后置滤波，每次计算两次。
由于Ｇ．７２９算法的计算量和需要存储的数据量非常 波。定标操作将输入的语音信号除以２以减少定点
大，一般的单片机难以实现。ＤＳＰ具有运算功能强 运算中出现溢出的可能性。高通滤波器为一个二
大，性价比较高的优点，能够把Ｇ．７２９算法应用于 阶零极点滤波器，用于滤除小于或等于１４０Ｈｚ的
实际系统。ｒ兀生产的ＤＳＰ芯片具有结构简单、体积 信号，以去除直流分量和低频分量的干扰。可以
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Ｇ．７２９语音编码算法研究及其ＤＳＰ实现
语音的误差知觉加权最小为准则。激励信号通过 ＬＰＣ系数构造的合成滤波器后生成重构信号，再与 输入信号相减得到残差信号。残差信号经由ＬＰＣ 系数构造的误差加权滤波器（知觉加权滤波器）处 理，反馈回控制回路，以加权残差信号均方差最 小的原则确定激励信号及增益。激励参数（固定码 本和自适应码本参数）每５ ｍｓ子帧（４０个样点）计 算一次。量化的和未量化的ＬＰ滤波系数用于第二 子帧，而在第一子帧使用内插（Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅｄ）ＬＰ系 数，每帧利用感觉加权信号１０ ｍｓ帧估计一次开环 基音延时。基音分析模块通过自相关分析计算出 基音周期来搜索出自适应码本，确定最佳自适应 码本矢量，得到语音模型中具有准周期特性的激 励信号。然后再搜索固定码本，根据最小化加权 均方差的准则确定最佳固定码本矢量，得到语音 模型中的随机激励信号。根据两者确定自适应码 本矢量和固定码本矢量的增益以找到最佳激励。
电子科技２００７年第１期（总第２０８期）
Ｇ．７２９语音编码算法研究及其ＤＳＰ实现
王 浔，韦 琦
（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）
摘要 简单介绍Ｇ．７２９编解码算法原理，介绍如何用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ ＤＳＰ实现该算法。给出硬件的实现 框图并提出了一些在软件设计中的优化方法及技巧。结合实验结果并对其进行了分析。
增益加权后相加组成的激励信号通过ＬＰ合成滤波 器重建语音信号。重建语音还要通过一个改善合 成语音质量的后处理过程，包括基于长时和短时 合成滤波器的自适应后滤波以及高通滤波与定标。 总体框图见图２。
图２ ＣＳ—ＡＣＥＬＰ解码器的原理图
３算法的实现方案
３．１ ｎ腮３２０、，ｃ５４０２性能介绍 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２是Ⅱ公司推出的高性能１６位
小、功耗低和较多外围电路接Ｅｌ等优点，考虑到 将两个操作合而为一，只要将滤波器系数的分子
Ｇ．７２９算法是基于定点实现的，以及性价比等其他
部分除以２即可。这样所得到的滤波器为：
…、０．４６３ ／－／Ｌ“Ｊ（”ｚ７Ｊ＝———————６—３—７—１—８————０． ——９—２７——２—４１７——０—５—ｚ“ ——＋—０—．——４６—３——６—３了７——１８—ｚ—“～ １—１．９０５ ９４６５ｚ“＋０．９１ １ ４０２ ４ｚ“
和低延迟的语音编码算法。ＩＴＵ—Ｔ于１９９６年提出 ２．１ 编码部分
了Ｇ．７２９算法心］，在８ｋＨｚ采样频率的条件下，实
编码原理框图见图１。编码器的输入是１６ｂｉｔ
现了较好地综合语音质量和较短的延迟，广泛应 的线性ＰＣＭ语音信号，对该信号进行编码之前要
用于多媒体终端协议Ｈ．３２３和ＩＰ电话等通信领域。 进行两个预处理操作：（１）信号定标（２）高通滤
定点ＤＳＰ。其主要特点如下：采用改进的哈佛结 构；高度并行性；６４ｋＢｙｔｅ数据寻址空间，１ＭＢｙｔｅ 程序寻址空问；带有专用硬件逻辑的ＣＰＵ、片外 外设；片内存储器包括４ｋＢｙｔｅ的ＲＯＭ和１６ｋＢｙｔｅ 的ＤＡＲＡＭ，高度专业化的指令系统；２个高速、 全双工多通道缓冲串口ＭｃＢＳＰ，可以进行全双工 通信，具有双缓冲的发送和三缓冲的接收数据存 储器，允许连续的数据流，具有独立的接收与发 送的帧同步和时钟信号，可以与工业标准的编／解 码器、模拟接口芯片ＡＩＣｓ以及其他串行Ａ／Ｄ、Ｄ／ Ａ芯片接口；支持ＩＥＥＥ １１４９．１—１９９０（ＪＡＴＧ）标 准；先进的Ｉｃ工艺；具有降低功耗和提高抗核辐 射能力的新的静电设计方法等。 ３．２硬件设计框图
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电子科技／２００７年０１月１５日３９
Ｇ．７２９语音编码算法研究及其ＤＳＰ实现
（４）充分利用ＤＳＰ芯片中的溢出自动保护功 能。Ｇ．７２９的ｃ语言程序中，几乎所有的计算之后 都要进行溢出处理，严重影响了代码的效率，可 以去除不必要的溢出处理，对必须进行的溢出处 理，通过对ＤＳＰ溢出标志位ＯＶＭ的灵活运用，使 ＤＳＰ自动地对结果地溢出进行保护，可以有效地消 除原来溢出处理地软件开销，提高程序地运行 效率。
系统的原理框图如图３所示。选择Ⅱ公司的 ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２定点ＤＳＰ芯片作为主处理器，由于 其内部存储资源有限，为了满足Ｇ．７２９编解码器 对存储空间的要求，外扩了６４ｋＢｙｔｅ的ＲＡＭ核 ２５６ｋＢｙｔｅ的ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ，其中ＲＡＭ选择Ｃｙｐｒｅｓｓ 公司的ＣＹ７Ｃ１０２１Ｖ，注意用于存放程序运行时的 代码和数据，ＦＬＡＳＨ ＲＯＭ选择ＡＭＤ公司的 ＡＭ２９ＬＶ４００Ｂ，用于存放Ｂｏｏｔｌｏａｄｅｒ程序，实现系 统上电后的自举加载功能；在Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ转换模 块中选用，Ｉ＇Ｉ公司的ＴＬＣ３２０ＡＤ５０Ｃ，该芯片具有 Ａ／Ｄ，Ｄ／Ａ两个通道，实现原始语音信号Ａ／Ｄ转 换和解码之后重构语音信号的Ｄ／Ａ转换；ＤＳＰ与
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Ｇ．７２９语音编码算法研究及其ＤＳＰ实现
外围器件的编解码逻辑和复位信号通过ＣＰＬＤ产 生，ＣＰＬＤ采用ＭＡＸ７０００系列的ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４— １５，主要实现系统复位、译码和信号控制等功能； ＵＡＲＴ选择异步通信转换芯片ＴＬｌ６Ｃ５５０和ＲＳ２３２ 电平驱动器芯片ＭＡＸ２３２，实现数据的并串相互转
关键词语音编码；Ｇ．７２９协议；ＣＳ—ＡＣＥＬＰ；ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ 中图分类号ＴＮ２５３
Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｇ．７２９ Ｓｐｅｅｃｈ Ｃｏｄｅ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ＤＳＰ
Ｗａｎｇ Ｘｕｎ，Ｗｅｉ Ｑｉ （Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｈａｒｂｉｎ １５００４０，Ｃｈｉｎａ）
收稿日期：２００６－０６－０９ 作者简介：王浔（１９８０一），男，硕士研究生。研究方向： ＤＳＰ在音频中的应用。韦 琦（１９７２一），男，副教授。研究 方向：ＤＳＰ在音视频中的应用。
编码器对每１０ｍｓ的信号帧进行一次线性预测（ＬＰ） 分析，计算ＬＰ滤波器系数，再把系数转换为线谱 对（ＬＳＰ）并用两段１８ ｂｉｔ矢量量化。然后用合成Ａ —Ｂ—ｓ方法搜索激励信号，且以原始语音与合成
在ＤＳＰ软件调试和代码优化过程中，采用了 １ｒＩ公司的集成开发环境ＴＭＳ３２０Ｃ５０００ ＣＣＳ，在完 成了大量汇编级优化的基础上，提出了一些有效 的优化方法和编程技巧：
（１）将基本运算函数用汇编指令或ＴＩ优化过 的标准程序实现。Ｇ．７２９标准中定义的许多基本运 算函数，使用频率非常高，占用绝大部分的运算 量。在优化时，简单的函数可以直接用一句或几 句汇编指令实现，如：加减法、移位、取反、两 个１６位数相乘等都可以直接用一句汇编指令实现， 较复杂一点的运算。
（５）循环的优化。’Ｃ５４ｘ中提高了高效的重复 操作指令ＲＰＩ＇、ＲＰＴＺ和ＲＰＴＢ，其中Ｒ门和ＲＰＴＺ 用于重复执行紧随其后的单条指令，可以是多周 期指令，ＲＰＴＢ将重复操作的范围扩大到任意长度 的循环回路，且循环开销为０，使用这些指令可以 实现有效的优化。
上述过程得到的线性预测编码信息（ＬＰＣ）、矢 量增益、自适应码本矢量和固定码本矢量就构成 了全部的Ｇ．７２９编码参数，以１０ｍｓ为一帧，每帧 ８０ｂｉｔ发往解码器的接收端。
国淼
图１ ＣＳ—ＡＣＥＬＰ编码器的编码原理框图 ２．２解码部分
解码器从接收到的码流中恢复出每帧的参数， 包括ＬＳＰ系数，两个子帧的分数基音延迟、固定 码本矢量及自适应和固定码本增益。ＬＳＰ系数经插 值后转换成两个子帧各自的ＬＰ滤波器系数。对每 个子帧，自适应码本矢量和算术码本矢量分别经
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｅｎｃｏｄｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｄｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｇ．７２９ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｏｎ
●
ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ Ｇ．７２９ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｅｍｐｈａｓｉｓ ｉｓ ｐｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｓｏｍｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｋｉｌｌｓ ｆｏｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｒｅ ｄｉｓ— ｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓｐｅｅｃｈ ｃｏｄｉｎｇ；Ｇ．７２９ ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ＣＳ—ＡＣＥＬＰ；ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２
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因素，选用耵的定点ＤＳＰ产品ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２。３’４１
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迫切需要能够实现高的合成语音质量、低误码率
来实现Ｇ．７２９算法。
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（２）单周期乘累加指令ＭＡＣ的有效使用。 Ｇ．７２９算法中相乘后累加运算出现的频率非常高，
在编码程序中使用了３５ ９０５次，共需要２２ ２７２ １６８ 个指令周期，占整个编码程序计算量的一半，对 其优化将会大大降低总的计算。ｃ编译器生成的汇 编代码，对乘累加的实现一般先用ＭＰＹ指令将两 个数相乘，再利用ＡＤＤ指令将结果累加，这样会 因指令的繁多而增加运算时间，同时原来的程序 中还采用函数调用的形式，使完成一次乘累加平 均需要５４５个指令周期。汇编优化时可充分利用单 周期乘累加指令ＭＡＣ，使系统在一个指令周期内 完成乘加操作。另外，乘累加运算往往出现在循 环的内部，如果再结合’Ｃ５４ｘ提供的双操作数间接 寻址指令，可以在一个指令周期内，同时取两个 操作数，并且相乘累加，将大大减少指令数，提 高程序效率。例如，在计算卷积的代码中，当Ｎ 较大时，使用指令ＭＡＣ木ＡＲ２＋，木ＡＲ３＋，Ａ， 优化效果将非常明显。
换，每帧编码之后的参数，经过ＵＡＲＴ转换为串行 数据，通过串行口发送，同时由串行口接收的比 特流，经过ＵＡＲＴ转换为并行数据，进行译码，重 构语音信号。上述芯片均可工作在省电模式，降 低了整个系统的功耗。
Ｈ卜＿叫Ｔ．，。，、。；ｎ卜－—叫串行口Ｉ ｌＴＬＣ３２０ＡＤ５０
ＴＭＳ３２０Ｖ Ｃ５４０２
重构语音输出ｌ
（３）使用内部函数。ｃ编译器可以识别一些实 现基本运算的内部函数，如饱和加、饱和减、归 一化等，这些内部函数由汇编语句构成，编译时ｃ 编译器将这些内部函数用对应的汇编语句代替。 这些函数的调用和普通ｃ函数调用一样，在Ｇ．７２９ 的ｃ程序中，只需在文件的开头用＃ｉｎｃｌｕｄｅ“ｉｎ． ｔｒｉｎｄｅｆｓ．ｈ”代替＃ｉｎｃｌｕｄｅ“ｂａｓｉｃ一０ｐ．ｈ”，就可以将 文件ｂａｓｉｃ一叩．Ｃ从工程中去掉，从而实现对ｂａｓｉｃ 一叩．Ｃ中许多基本运算函数的优化，简单有效。