G．723．1編譯碼算法的DSP實(shí)現(xiàn)-新品速遞

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武漢大學(xué)電信工程學(xué)院（武漢430079）杜娟鄧德祥

1引言當(dāng)前,VoiceoverIP（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(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。對激勵(lì)信號進(jìn)行量化時(shí)，高碼率算法采用多脈沖似然量化（MP－MLQ），而低碼率算法則采用算術(shù)碼本激勵(lì)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(lì)信號激勵(lì)一個(gè)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(shí)域均方誤差準(zhǔn)則來估計(jì)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(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)算和激勵(lì)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)行激勵(lì)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(lì)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(lì)參數(shù)得到自適應(yīng)碼本激勵(lì)信號和固定碼本激勵(lì)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，｛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(gè)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(gè)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(jì)。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(jì)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(jì)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(jì)算所得綜合濾波器的沖激響應(yīng)，通過一個(gè)五階的基音預(yù)測器，可計(jì)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似然量化法（MP－MLQ）。激勵(lì)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(jì)G、｛ak｝和｛mk｝，使誤差信號e〔n〕的均方值。

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(lì)線性預(yù)測法（ACELP）。每一子幀中有4個(gè)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。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?cái)鄾_激響應(yīng)。要求碼本，即要搜索使τξ的ξ，

其中，τξ是一個(gè)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(jì)算：

對奇位置的碼矢量，先把偶脈沖移一個(gè)樣本位置，然后用上式計(jì)算。3算法實(shí)現(xiàn)3．1硬件設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)串行PCM接口。其中，編碼部分還包含一個(gè)可調(diào)輸入增益的放大器、一個(gè)有源RC前置濾波器、自動(dòng)調(diào)零電路、一個(gè)A率壓縮編碼器。解碼部分包括一個(gè)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AnalogDevices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(gè)運(yùn)算單元、數(shù)據(jù)地址發(fā)生器和一個(gè)程序序列器，還含有兩個(gè)串行口、一個(gè)16位的內(nèi)部IDMA口、一個(gè)8位的BDMA口、一個(gè)可編程定時(shí)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(dòng)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(shí)，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(jì)軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)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(gè)模塊。G723—Icode對包含240個(gè)采樣點(diǎn)的一幀信號進(jìn)行編碼，返回12個(gè)或10個(gè)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(gè)字，對于5.3kbps長度為10個(gè)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(gè)語音樣點(diǎn)。輸入數(shù)據(jù)放在G723Dec—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。3．3C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(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)。3．3．1循環(huán)展開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。3．3．2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(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