基于DSP芯片的MELP聲碼器的算法方案設計

4 軟件設計及其關鍵問題

軟件設計包括編碼流程和解碼流程，編碼流程圖如圖3所示。由于解碼過程相對簡單，故此處只給出編碼流程圖。

此軟件流程設計完全按照MELP原理，在實際編程過程中需要注意以下幾個關鍵問題。

圖3 MELP編碼流程圖

⑴存儲器分配問題

由于TMS320VC5416采用雙總線結構，提供了許多多功能指令，在實際實現時要充分考慮到這些特點，盡量用多功能指令，并且合理分配使用各個寄存器和指針。例如：MAC指令可以在一個指令周期內完成乘加操作，還可以結合寄存器的合理安排實現連續乘加，而不需要緩存中間數據，從而大大提高了運算效率。另外，要充分利用TMS320VC5416提供的專用的硬件結構、尋址方式及特殊指令。如：環形存儲器尋址方式、雙操作數尋址方式、EXP指令和NORM指令、舍入操作等，恰當使用這些方式和指令可以大大提高軟件效率。

⑵ 數的定標

TMS320VC5416采用定點數進行數值運算，其操作數一般采用整型數表示。但它的指令支持小數模式和整數模式兩種運算模式。對DSP而言，參與數值運算的數就是16位的整型數。在多數情況下，數學運算過程中的數不一定都是整數，這就需要程序員來確定小數點的位置，即數的定標。TMS320VC5416中數的定標有兩種表示法：Q表示法和S表示法。在此軟件中用Q表示法表示。

在程序中需要經常判斷運算結果是否溢出。TMS320VC5416芯片本身設有溢出保護功能，溢出的處理是通過設置芯片中PMST寄存器的OVM位自動執行的。可以在程序的開始就設置溢出功能有效，一旦出現溢出異常，則累加器ACC的結果置為最大的飽和值（上溢位7FFFH，下溢位8001H），從而達到防止溢出引起精度嚴重惡化的目的。

⑶防止流水線沖突

流水線是TMS320VC5416最具特色的部分，它大大的提高了TMS320VC5416的性能，但當DSP資源同時被不在同一流水線階段的指令使用，或在存取某些寄存器時容易引起流水線沖突。編譯時會編譯器將自動插入一個或幾個空操作，從而增加了所需的計算量，降低了軟件效率，因此軟件設計開發中需要避免流水線沖突。

5 測試結果

目前該編解碼器已通過MELP的全部測試矢量驗證。系統實時實現編解碼時，經過非正式的主觀測試結果表明，MELP算法的MOS分在3.3左右，其清晰度、自然度和抗噪聲性能明顯優于傳統LPC算法。表1和2分別給出了在定點DSP芯片TMS320VC5416上實時實現MELP算法的編解碼器所需的存儲量和計算量。

從表1可見，程序和數據存儲區總存儲量共25.2K字，由于TMS320VC5416內部RAM的大小為128K字，因此，程序boot時，可以一次將所有程序和數據直接搬移到芯片內部RAM里運行。表2顯示了對該聲碼器所用資源的統計結果。在全雙工時，最大運算量為39.9MIPS，完成滿足實時實現的要求。

以上分析結果顯示，單片TMS320VC5416芯片最多可實現4路語音編解碼，片上剩余的資源還可以實現其它附加功能。

表1 編解碼器占用存儲器資源

表2 編解碼器運算量分析

7 總結

創新點：本文介紹了混合激勵線性預測（MELP）聲碼器算法，簡要分析了該算法的編解碼原理。同時，本文選用TI公司的TMS320VC5416 DSP芯片進行了實時實現，指出了在軟件實現中需要注意的關鍵問題。經非正式主觀測試結果表明，該算法自然度、清晰度和抗噪聲性能明顯優于傳統LPC算法，適用于短波窄帶數字保密通信、無線通信等需要低速率的語音編碼場合，具有廣闊的應用前景。