IP電話中的低速率語音編解碼器的實現

摘要：G.729.A在TMS320C6201DSP上的實現方法及提高G.729.A編碼器的運行速度的優化方法和編程技巧。并介紹了該編碼器的測試結果。

關鍵詞：ITU-T G.729.A IP電話 編碼器

最近幾年，IP電話技術突飛猛進，已從當初PC到PC的機連接方式發展到IP電話網關方式，通過IP電話網關可以將PBX與因特網連接起來，從而實現普通話機通過因特網進行通信。因此，IP電話網關是近年來計算機和通信領域中研究的一個熱點。IP電話網關的一個最主要性能指標是它的處理密度（即能同時算是的話路數）。而IP電話網關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據的延遲大小。目前，IP電話所遵循的標準是H.323，而H.323標準首選語音編碼器是ITU-T G.729.A。ITU-T G.729.A是用于語音和其它聲音信號的壓縮編解碼算法建議，它是G.729的簡化版本，編碼速率為8Kbps，并且有很高的語音質量。但是，該編碼器的算法復雜，一幀語音的處理延遲較大，在很大程度上影響IP電話網關的處理密度。因此，為了提高IP電話網關的處理密度，本文在實現ITU-T G.729.A語音編解碼器時，采用了目前性能最好的DSP，即TMS320C6201；針對TMS320C6201并行性和流水等特點，深入研究了在TMS320C6201上實現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化方法。采用這些優先方法和編程技巧，可以將ITU-T G.729.A的每幀編碼運行時間減少到0.47毫秒（按TMS320C6201工作在200MHz計算），從而可以實現單片TMS320C6201能同時處理20路路語音。這一指標已到達了國際上最先進的水平；而且，該編解碼器已成功地運用在筆者開發的IP電話網關中。

1 G.729.A編解碼器的算法

1.1 編碼算法

ITU-T G.729.A標準采用一種稱為共軛結構代數碼本激勵線性預測（Conjugate Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction,CS-ACELP）算法來對語音信號進行編碼。

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（線性預測濾器參數），自適應和固定碼本索引和增益），對這些參數進行編碼和傳送。其編碼過程如圖1所示。

在預處理階段，輸入信號經高通濾波并乘以比例因子，然后對每一幀預處理之后的信號進行一次線性預測分析，計算出線性預測濾波器系數，其中，線性預測濾波器系數定義為：。這些系數被轉化成線譜對（LSP，Line Spectrum Pairs）并用可預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信號之間的誤差在感覺加權失真測量中最小。

對每個子幀（5毫秒，包括40個樣本）求出其激勵參數（固定和自適應碼本參數）。本幀的量化和未量化的線性插值系數。每一幀根據感覺加權語音信號估計出開環基音延遲。多面手對每一子幀進行以下操作：將線性預測殘差通過加權合成濾波器的沖擊響應h(n)，使用目標信號x(n)和沖擊響應h(n)在開環基音延迂回通過周圍搜索，并進行閉環基音分析（得出自適應碼本延遲和增益）。第一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）自適應碼本貢獻來更新目標信號x(n)，新目標x'(n)在固定碼本搜索中使用以找到最優激勵。固定碼本激勵使用一個17位的代數碼本。自適應和固定碼本的獻增益被矢量量化為7位（對固定碼本增益使用移動平均預測方法）。最后，得到的激勵信號被用來更新濾波器狀態。所有這些參數最后封裝到80位的壓縮數據幀中。

1.2 解碼算法

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的索引，再從這些索引中得出一幀語音的編碼器參數，包括LSP系數、2個部分基音延遲、2個固定碼本向量、2套自適應和固定碼本延遲，這些參數被用來生成激勵信號并合成濾波器參數。LSP系數經插值后，形成每個子幀的LP濾波器。然后，對每個子幀進行如下處理：

·自適應和固定碼本向量乘以各自的增益系數得到激勵信號；

·激勵信號經過線性預測合成濾波器得到重構的語音；

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

2 ITU-T G.729.A編解碼器實現的關鍵技術

2.1 ITU-T G.729.A編解碼器實現的硬件平臺

ITU-T G.729.A編解碼器實現平臺是筆者開發的一種集成式IP電話網關。這種集成式IP電話網關的設計思想是以PC機為基礎，集成了市場通用板卡，如LSI/C6200DSP資源卡、Dialogic的語音卡和網關等，并以這些板卡為硬件平臺，按照相關協議，開發出一套IP網關軟件。集成式IP電話網關的硬件基本結構如圖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。

TMS320C6201 DSP是美國TEXAS INSTRUMENT公司生產的目前處理速度最快的定點數字信號處理器，TMS320C6201 DSP采用VLIW（Very Long Instruction Word）體系結構，其工作頻率最高可達200MHz，內部有1600MIPS[4]。另外，TMS320C6201 DSP分別提供了64KB的內部程序RAM和數據RAM，片外存儲器可擴展到4GB，可連接SDRAM、SBSRAM和Flash Memory。TMS320C6201 DSP還提供了豐富的外圍電路接口，如：Scbus語音總線、MVIP語音總線、HOST接口以及JTAG口等。

2.2 ITU-T G.729.A軟件模塊的設計

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。在SPOX操作系統的調度下，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度及命令解釋模塊、G.729.A數據壓縮與解壓縮模塊和接口模塊三部分組成。

（1）調度及命令解釋模塊

該模塊主要用于解釋HOST發來的各種命令，如發送或接收編解碼數據，查詢編解碼狀態以及啟動、停止編解碼操作等，該模塊不直接與HOST打交道，而是以SPOX提供的服務方式，通過接口功能模塊間接地實現與HOST之間數據交換。同時在SPOX的支持下，完成對多路語音編解碼的適時調度。

（2）G.729.A數據壓縮與解壓縮模塊

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

（3）接口模塊

該模塊主要實現TMS320C6201與HOST以及與語音卡之間的數據交換，因此該模塊分成兩部分。一部分主要負責TMS320C6201 DSP與語音卡之間的數據傳輸，它負責不斷地將語音卡采取的語音數據通過語音總線（如SCbus），采取等時通信方式送入到LSI/PCI6200資源卡RAM中，或者是將編解碼器解碼后的數據經SCbus總線送給語音卡。另一部分主要負責TMS320C6201 DSP與HOST之間的數據交換，一方面要將壓縮后的語音信號由PCI總線送往HOST；另一方面將HOST解包的碼流分類后讀入編解碼器。編解碼器與HOST之間的數據交換采用中斷方式進行同步。

2.3 ITU-T G.729.A標準在TMS320C6201上實現的關鍵技術

處理密度是衡量IP電話網關性能好壞的一個重要指標。而一個IP電話網你在硬件平臺確定的情況下，其處理密度主要取決于它所采用的編解碼器的語音編碼處理延遲，即代碼的執行速度。如何提高G.729.A語音編碼的執行速度是G.729.A編解碼器實現的關鍵技術問題之一。這此，歸納出一系列編程技巧和優優方法，較好地解決了這一難題。

（1）G.729.A標準中規定的算法都是基本算法。因此，在實現時，可以用快速算法。例如，相關系數的計算，在G.729.A標準中使用一種最基本的計算方法，如果采用快速的傅里葉變換技術或采用分解因子的計算方法，就可以加快計算速度。

（2）算法中有很多FIR和IIR運算，如：共振峰濾波器、聽覺加權濾波器、聯合濾波器等，在設計這些濾波器時，使用較大數組來放濾波器的系數。這樣，每計算一次輸出，不需系數更新移位，從而可以減少內存操作次數，因此可以通過犧牲存儲器空間來提高代碼的執行速度。如：共振峰濾波器是十階濾波器，常規的實現方法是設置一個長度為10元素的一維數組來保存最近的10個共振峰樣本點。濾波器每輸出一個樣本點，該數組就需更新一次。對于一個子幀40個樣本點，就需進行40次更新操作。如設置長度為70元素的一組數組，就可以免去更新操作?？梢院艽蟪潭鹊夭僮鞔a的運行速度。

（3）多使用指針，盡量減少變量之間的反復拷貝操作。

（4）用查詢靜態表的方法來代替動態的計算，從而減少計算延遲。例如，在設計cos()函數時，程序在初始化時就生成一個512項的cos（）函數表。當需要計算cos（）函數值時，可以采用查表方式來代替動態計算。

（5）內存單元的合理分配。TMS320C6201 DS的片內存儲器有64KB數據存儲器。由于TMS320C6201從片內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，盡量將經常使用的數據分配在片內存儲器中。

（6）G.729.A在TMS320C6201上定點實現時，數據精度也是一個關鍵問題。在定點信號處理芯片上實現某些浮點算法時，可以采取定點數來表示浮點數，這樣可以加快運行速度，但可能導致運算精度不夠。解決的方法是在精度要求比較高的地方，可以將計算的中間變量用32位表示，甚至用40位表示。

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

（8）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，例如：對多重循環，如最內層循環次數少而較簡單，可把最內層循環展開，以便外循環做流水線；對一些簡單循環而前后沒有因果關系，合并這些循環也有利于做流水線。

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。第一種測試工具是C6X Simulator(TMS320C6201的仿真軟件)，測試條件是假設所有代碼裝在TMS320C6201片同的程序存儲器中；因此，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（評估卡），測試條件是將TMS320C6201片內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果如表1所示。

表1 G.729.A編解碼的時鐘數

從表1可以看出，如果TMS320C6201工作在頻率為200MHz，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。因此說，單片TMS320C6201可以同時處理大約20路G.729.A編碼（當前國際最高水平是22路）；而且，編解碼的結果都嚴格地通過了G.729.A提供的測試矢量的測試，實際播放音質也很好。

ITU-T G.729.A語音信號壓縮編解碼技術集成了眾多低速率語音編解碼的優點，大大提高了低速率編解碼的語音質量，但算法較復雜。而TMS320C6201 DSP是目前最快的定點數字信號處理器，如果在編寫程序時，能充分利用上述關鍵技術，就可以充分發揮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。將該編解碼應用在該IP電話網關中，在很大程度上提高了IP電話網關處理密度，改善了IP電話網關的性能。因此說，本文實現的G.729.A編解碼器有很大的應用價值。