近年來，隨著Internet的日益普及，IP電話的應(yīng)用方興未艾。現(xiàn)在IP電話的實現(xiàn)方式已經(jīng)從PC-PC的軟件方式發(fā)展到普通電話通過IP電話網(wǎng)關(guān)上網(wǎng)。IP電話網(wǎng)關(guān)具有建立和維護網(wǎng)絡(luò)連接，處理數(shù)字化語音的功能。IP電話網(wǎng)關(guān)的一個主要性能指標(biāo)是它的處理密度。而IP電話網(wǎng)關(guān)的處理密度主要取決于它所使用的語音編解碼器處理一幀數(shù)據(jù)的延遲大小。為了提高IP電話網(wǎng)關(guān)的處理密度，本文在實現(xiàn)ITU-T G.729.A語音編解碼器時，采用了目前性能的DSP TMS320C6201。研究了在TMS320C6201上實現(xiàn)G.729.A的編解碼器的編程技巧；歸納出一系列減少編解碼器處理延遲的優(yōu)化方法。采用這些優(yōu)先方法和編程技巧，可以實現(xiàn)單片TMS320C6201能同時處理20路路語音。

　　1 G.729.A編解碼器的算法

　　1.1 編碼算法

　　G.729a是由ITU-T制定、適用于PSTN的第四代低速率語音編解碼標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)采用共軛結(jié)構(gòu)一算術(shù)碼本激勵線性預(yù)測（CS-ACELP）算法，其編碼所需要帶寬為8Kbps,可以達到傳統(tǒng)長途電話的音質(zhì)，適用于網(wǎng)絡(luò)帶寬較低、選擇使用低比特速率編碼方法的語音通信系統(tǒng)。

　　在開始編碼之前，先要對輸入的模擬信號進行電話帶濾波，然后以8kHz頻率對其進行采樣，再將其轉(zhuǎn)換為16位線性PCM碼，作為編碼器的輸入。

　　編碼器處理語音的單位是幀，1幀為10毫秒語音，包括80個聲音樣本（采樣頻率為8kHz）。編碼器對每一幀語音信號進行分析，抽取出其中的CPLD模型的參數(shù)，對這些參數(shù)進行編碼和傳送。其編碼過程如圖1所示。

　　在預(yù)處理階段，輸入信號經(jīng)高通濾波并乘以比例因子，然后對每一幀預(yù)處理之后的信號進行線性預(yù)測分析，計算出線性預(yù)測濾波器系數(shù)，其中，線性預(yù)測濾波器系數(shù)定義為：.這些系數(shù)被轉(zhuǎn)化成線譜對（LSP,Line Spectrum Pairs）并用可預(yù)測二階矢量量化法量化成18位。使用合成分析搜索過程選定激勵信號，使得原始信號和重構(gòu)信號之間的誤差在感覺加權(quán)失真測量中。

　　對每個子幀（5毫秒，包括40個樣本）求出其激勵參數(shù)（固定和自適應(yīng)碼本參數(shù)）。本幀的量化和未量化的線性插值系數(shù)。每一幀根據(jù)感覺加權(quán)語音信號估計出開環(huán)基音延遲。對每一子幀進行以下操作：將線性預(yù)測殘差通過加權(quán)合成濾波器的沖擊響應(yīng)h（n），使用目標(biāo)信號x（n）和沖擊響應(yīng)h（n）在開環(huán)基音延迂回通過周圍搜索，并進行閉環(huán)基音分析（得出自適應(yīng)碼本延遲和增益）。個子幀的基音延遲編碼為8位，第二個子幀采用差分方法編碼為5位。通過減去（濾波后的）自適應(yīng)碼本貢獻來更新目標(biāo)信號x（n），新目標(biāo)x'（n）在固定碼本搜索中使用以找到激勵。，得到的激勵信號被用來更新濾波器狀態(tài)。所有這些參數(shù)封裝到80位的壓縮數(shù)據(jù)幀中。

　　1.2 解碼算法

　　解碼器算法框圖如圖2所示。

　　首先，從壓縮比特流中取得各參數(shù)的索引，再從這些索引中得出一幀語音的編碼器參數(shù)，包括LSP系數(shù)、2個部分基音延遲、2個固定碼本向量、2套自適應(yīng)和固定碼本延遲，這些參數(shù)被用來生成激勵信號并合成濾波器參數(shù)。LSP系數(shù)經(jīng)插值后，形成每個子幀的LP濾波器。對每個子幀進行以下處理：

　　·自適應(yīng)和固定碼本向量乘以各自的增益系數(shù)得到激勵信號；

　　·激勵信號經(jīng)過線性預(yù)測合成濾波器得到重構(gòu)的語音；

　　·重構(gòu)后的語音信號再經(jīng)過一個后處理階段，包括基于長時和短時合成濾波器的自適應(yīng)濾波器，然后再經(jīng)過高通濾波器并乘以相應(yīng)的比例因子。

　　2 ITU-T G.729.A編解碼器實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 ITU-T G.729.A編解碼器實現(xiàn)的硬件平臺

　　ITU-T G.729.A編解碼器實現(xiàn)平臺是筆者開發(fā)的一種集成式IP電話網(wǎng)關(guān)。這種集成式IP電話網(wǎng)關(guān)的設(shè)計思想是以PC機為基礎(chǔ)，集成了市場通用板卡，如LSI/C6200DSP資源卡、Dialogic的語音卡和網(wǎng)關(guān)等，并以這些板卡為硬件平臺，按照相關(guān)協(xié)議，開發(fā)出一套IP網(wǎng)關(guān)軟件。集成式IP電話網(wǎng)關(guān)的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中G.729.A編解碼器是由LSI/C6200資源卡上的TMS320C6201 DSP來實現(xiàn)。

　　2.2 ITU-T G.729.A軟件模塊的設(shè)計

　　G.729.A編解碼器運行的硬件平臺是TMS320C6201DSP,支持SPOX.SPOX是一種功能很強的實時操作系統(tǒng)。在SPOX操作系統(tǒng)的調(diào)度下，可對多路語音進行適時的語音壓縮和解碼。G.729.A編解碼器件主要由調(diào)度及命令解釋模塊、G.729.A數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮模塊和接口模塊三部分組成。

　　（1）調(diào)度及命令解釋模塊

　　該模塊主要用于解釋HOST發(fā)來的各種命令，如發(fā)送或接收編解碼數(shù)據(jù)，查詢編解碼狀態(tài)以及啟動、停止編解碼操作等，該模塊不直接與HOST打交道，而是以SPOX提供的服務(wù)方式，通過接口功能模塊間接地實現(xiàn)與HOST之間數(shù)據(jù)交換。同時在SPOX的支持下，完成對多路語音編解碼的適時調(diào)度。

　?。?）G.729.A數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮模塊

　　該模塊是ITU-T G.729.A編解碼器的模塊，在很大程序上影響編解碼的性能。該模塊實現(xiàn)了ITU-T G.729.A全部功能。該部分已單獨形成一個TMS320C6201函數(shù)庫，可與其他任何部分連接。

　?。?）接口模塊

　　該模塊主要實現(xiàn)TMS320C6201與HOST以及與語音卡之間的數(shù)據(jù)交換，該模塊分成兩部分。一部分主要負責(zé)TMS320C6201 DSP與語音卡之間的數(shù)據(jù)傳輸，它負責(zé)不斷地將語音卡采取的語音數(shù)據(jù)通過語音總線（如SCbus），采取等時通信方式送入到LSI/PCI6200資源卡RAM中。另一部分主要負責(zé)TMS320C6201 DSP與HOST之間的數(shù)據(jù)交換。編解碼器與HOST之間的數(shù)據(jù)交換采用中斷方式進行同步。

　　2.3 ITU-T G.729.A標(biāo)準(zhǔn)在TMS320C6201上實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

　　如何提高G.729.A語音編碼的執(zhí)行速度是G.729.A編解碼器實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。為此，歸納出一系列編程技巧和優(yōu)優(yōu)方法，較好地解決了這一難題。

　?。?）G.729.A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的算法都是基本算法。因此，在實現(xiàn)時，可以用快速算法。

　　（2）算法中有很多FIR和IIR運算，如：共振峰濾波器、聽覺加權(quán)濾波器、聯(lián)合濾波器等，在設(shè)計這些濾波器時，使用較大數(shù)組來放濾波器的系數(shù)。這樣，每計算輸出，不需系數(shù)更新移位，從而可以減少內(nèi)存操作次數(shù)，因此可以通過犧牲存儲器空間來提高代碼的執(zhí)行速度。

　?。?）多使用指針，盡量減少變量之間的反復(fù)拷貝操作。

　?。?）用查詢靜態(tài)表的方法來代替動態(tài)的計算，從而減少計算延遲。例如，在設(shè)計cos（）函數(shù)時，程序在初始化時就生成一個512項的cos（）函數(shù)表。當(dāng)需要計算cos（）函數(shù)值時，可以采用查表方式來代替動態(tài)計算。

　?。?）內(nèi)存單元的合理分配。TMS320C6201 DS的片內(nèi)存儲器有64KB數(shù)據(jù)存儲器。由于TMS320C6201從片內(nèi)存儲器讀入一個字比從片外存儲器讀入一個字快14倍，因此在編程時，盡量將經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)分配在片內(nèi)存儲器中。

　?。?）G.729.A在TMS320C6201上定點實現(xiàn)時，數(shù)據(jù)也是一個關(guān)鍵問題。在定點信號處理芯片上實現(xiàn)某些浮點算法時，可以采取定點數(shù)來表示浮點數(shù)，這樣可以加快運行速度，但可能導(dǎo)致運算不夠。解決的方法是在要求比較高的地方，可以將計算的中間變量用32位表示，甚至用40位表示。

　?。?）充分利用TMS320C6201的編譯器和優(yōu)化工具來優(yōu)化C和線性匯編代碼，并合理地選擇優(yōu)化參數(shù)。有關(guān)速度的優(yōu)化參數(shù)是：-o3、-pm、-mt、mi等。并盡量用TMS320C6201的線性匯編或匯編語音來實現(xiàn)G.729.A編解碼器的算法。

　?。?）充分利用TMS320C6201的特點來編寫代碼。如流水功能，8個功能單元并行操作功能，32位字讀寫功能以及Intrinsics的使用等；對一些簡單循環(huán)而前后沒有因果關(guān)系，合并這些循環(huán)也有利于做流水線。

　　3 性能測試

　　分別用二種測試工具對G.729.A編解碼器的處理延遲作了測試。種測試工具是C6X Simulator，測試條件是假設(shè)所有代碼裝在TMS320C6201片同的程序存儲器中，稱之為Non cache測試模式。另外一種測試方式是采用TI公司的C6X的EVM卡，測試條件是將TMS320C6201片內(nèi)64KB RAM作為Cache使用；因此稱之為cache模式。二種測試模式的測試結(jié)果如表1所示。

　　表1 G.729.A編解碼的時鐘數(shù)

　　從表1可看出，TMS320C6201工作在頻率為200MHz時,即每Cycles的周期為0.5毫秒，可以算出G.729.A編碼一幀（30毫秒）的延遲時間是0.43~0.46毫秒。所以單片TMS320C6201可以同時處理大約20路G.729.A編碼。

　　ITU-T G.729.A語音信號壓縮編解碼技術(shù)集成了眾多低速率語音編解碼的優(yōu)點，極大地提高了低速率編解碼的語音質(zhì)量，但算法較復(fù)雜。而TMS320C6201 DSP是目前快的定點數(shù)字信號處理器，如果在編寫程序時，能充分利用上述關(guān)鍵技術(shù)，就可以充分發(fā)揮TMS320C6201的功能，大大減少G.729.A編解碼的處理延遲，并能保持良好的語音品質(zhì)。將該編解碼應(yīng)用在該IP電話網(wǎng)關(guān)中，在很大程度上提高了IP電話網(wǎng)關(guān)處理密度，改善了IP電話網(wǎng)關(guān)的性能。