資料介紹
摘要:介紹了一種基于TMS320C6201的ITU-T G.723.1全雙工實(shí)時(shí)多通道語音編解碼的實(shí)現(xiàn)。首先簡要介紹了G.723.1標(biāo)準(zhǔn)和C6201的芯片結(jié)構(gòu),然后提出了基于C語言和匯編語言的各種優(yōu)化方法以降低計(jì)算量,最后給出了各個(gè)主要模塊的性能指標(biāo)。該實(shí)現(xiàn)能夠在200MHz的C6201 DSP上實(shí)現(xiàn)16路語音信號的實(shí)時(shí)編解碼,完全符合ITU-T G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的定點(diǎn)算法,通過了ITU-T的所有測試矢量。
關(guān)鍵詞:語音編碼 定點(diǎn)數(shù)字信號處理器 ITU標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)前,Voice overIP(VoIP)技術(shù)正在不斷普及,通過Internet的語音通信量也日漸增加。目前VoIP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。本文根據(jù)C6201芯片的特點(diǎn),作了大量針對G.723.1標(biāo)準(zhǔn)本身的優(yōu)化,降低了運(yùn)算量,滿足了多路信號的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。
?。?G.723.1標(biāo)準(zhǔn)介紹
?。牵罚玻常睒?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他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。
?。牵罚玻常睒?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(Analysis-by-Synthesis)。對激勵(lì)信號進(jìn)行量化時(shí),高碼率算法采用多脈沖最大似然量化(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)。目前,G.723.1已經(jīng)能在多種DSP芯片上實(shí)現(xiàn),如美國TI公司的TMS320C5x、TMS320C54x和朗訊科技公司的DSP16xx等。
?。牵罚玻常?a href='http://m.xsypw.cn/tags/編碼器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>編碼器能對以8kHz采樣的話帶語音信號進(jìn)行壓縮,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1(a)。從圖中可以看出,編碼器是基于線性預(yù)測合成分析法原理,其目的是最小化感知加權(quán)誤差信號。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)算和最佳激勵(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)行最佳激勵(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)以得到最終目標(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。為了提高重建語音的主觀質(zhì)量,解碼器還包括一個(gè)后濾波器,后濾波器由共振峰和基音后濾波器組成。激勵(lì)信號依次通過基音后濾波器、合成濾波器和共振峰后濾波器合成重建語音,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1(b)。
2 TMS320C6201芯片結(jié)構(gòu)簡介
?。裕停樱常玻埃茫叮玻埃笔且环N32位的定點(diǎn)DSP,工作頻率最高達(dá)200MHz。它有兩組運(yùn)算單元,每組4個(gè),共8個(gè)。除M單元只能作乘法外,其他單元都可以靈活使用,如D單元可以做Load、Store和加減操作,S單元可以進(jìn)行移位和加減。C6201有32個(gè)通用寄存器,分為A、B兩側(cè)。兩側(cè)的寄存器有交叉通路,同一指令可以同時(shí)訪問雙側(cè)的寄存器。C6201采用了超長指令字結(jié)構(gòu),一次最多可以同時(shí)執(zhí)行8條指令(每個(gè)單元一條)。它有11級流水,所有的指令都是精簡指令。C6201允許使用緩存(Cache)模式,可以運(yùn)行大型程序而不降低速度。圖2是C6201的結(jié)構(gòu)。
?。?標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)
用C6201實(shí)現(xiàn)G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的最大優(yōu)勢在于它極強(qiáng)的并行處理能力,用一塊DSP可以實(shí)現(xiàn)多路語音的壓縮,大大簡化了硬件的設(shè)計(jì)。C6201是TI公司推出的第一種支持C編譯器的DSP芯片。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),所以對整個(gè)程序的優(yōu)化分為C語言級和匯編語言級兩部分。
關(guān)鍵詞:語音編碼 定點(diǎn)數(shù)字信號處理器 ITU標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)前,Voice overIP(VoIP)技術(shù)正在不斷普及,通過Internet的語音通信量也日漸增加。目前VoIP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。本文根據(jù)C6201芯片的特點(diǎn),作了大量針對G.723.1標(biāo)準(zhǔn)本身的優(yōu)化,降低了運(yùn)算量,滿足了多路信號的實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。
?。?G.723.1標(biāo)準(zhǔn)介紹
?。牵罚玻常睒?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他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。
?。牵罚玻常睒?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(Analysis-by-Synthesis)。對激勵(lì)信號進(jìn)行量化時(shí),高碼率算法采用多脈沖最大似然量化(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)。目前,G.723.1已經(jīng)能在多種DSP芯片上實(shí)現(xiàn),如美國TI公司的TMS320C5x、TMS320C54x和朗訊科技公司的DSP16xx等。
?。牵罚玻常?a href='http://m.xsypw.cn/tags/編碼器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>編碼器能對以8kHz采樣的話帶語音信號進(jìn)行壓縮,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1(a)。從圖中可以看出,編碼器是基于線性預(yù)測合成分析法原理,其目的是最小化感知加權(quán)誤差信號。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)算和最佳激勵(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)行最佳激勵(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)以得到最終目標(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。為了提高重建語音的主觀質(zhì)量,解碼器還包括一個(gè)后濾波器,后濾波器由共振峰和基音后濾波器組成。激勵(lì)信號依次通過基音后濾波器、合成濾波器和共振峰后濾波器合成重建語音,其結(jié)構(gòu)框圖見圖1(b)。
2 TMS320C6201芯片結(jié)構(gòu)簡介
?。裕停樱常玻埃茫叮玻埃笔且环N32位的定點(diǎn)DSP,工作頻率最高達(dá)200MHz。它有兩組運(yùn)算單元,每組4個(gè),共8個(gè)。除M單元只能作乘法外,其他單元都可以靈活使用,如D單元可以做Load、Store和加減操作,S單元可以進(jìn)行移位和加減。C6201有32個(gè)通用寄存器,分為A、B兩側(cè)。兩側(cè)的寄存器有交叉通路,同一指令可以同時(shí)訪問雙側(cè)的寄存器。C6201采用了超長指令字結(jié)構(gòu),一次最多可以同時(shí)執(zhí)行8條指令(每個(gè)單元一條)。它有11級流水,所有的指令都是精簡指令。C6201允許使用緩存(Cache)模式,可以運(yùn)行大型程序而不降低速度。圖2是C6201的結(jié)構(gòu)。
?。?標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)
用C6201實(shí)現(xiàn)G.723.1標(biāo)準(zhǔn)的最大優(yōu)勢在于它極強(qiáng)的并行處理能力,用一塊DSP可以實(shí)現(xiàn)多路語音的壓縮,大大簡化了硬件的設(shè)計(jì)。C6201是TI公司推出的第一種支持C編譯器的DSP芯片。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),所以對整個(gè)程序的優(yōu)化分為C語言級和匯編語言級兩部分。
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