摘 要:以TMS320C6203為硬件平臺，設計了高速G.729ab多通道聲碼器。使用純匯編指令與C語言結合優(yōu)化編程提高核心編解碼算法效率，實時支持最大31個話路語音的G.729ab編解碼。利用TMS320C6203的在片外設McBSP提供聲碼器連接PSTN的標準E1接口，設計了用于分組數據收發(fā)的RTP協(xié)議接口，利用TMS320C6203的HPI接口方式與上層處理器連接，使得聲碼器可靈活地應用于媒體網關。

關鍵詞:G.729ab; 指令優(yōu)化; McBSP; RTP接口

中圖分類號:TN912.3文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0104-03

G.729ab Codec Design and Its Application in Media Gateway

LIAO Yan-na

(Xi'an University of Posts Telecommunications， Xi’an 710121， China)

Abstract: A high speed multi-channel G.729ab codec was designed on TMS320C6203 hardware platform. The pure assemble instruction combined with C language are used to improve the effectiveness of codec algorithm， 31 G.729ab channels are supplied real-timely. The multi-channel buffered serial port(McBSP) of C6203 is disposed as E1 interface to PSTN. The host processor interface of C6203 was designed to provide a real-time protocol connection. This codec can be used in media gateway conveniently.

Keywords: G.729ab; instruction optimization; McBSP; RTP interface

收稿日期:2010-03-16

基金項目:陜西省自然科學基金資助項目(2009JM8015);陜西省教育廳專項科研計劃資助項目(09JK730)

在VoIP媒體網關設備中，語音壓縮編碼是其關鍵技術之一。在ITU-T發(fā)布的應用于VoIP的語音壓縮編解碼標準中，G.729是應用較為廣泛的一種。G.729采用“共軛結構代數碼本激勵線性預測編碼”(CS-ACELP)算法[1]，算法幀長為10 ms，編碼后速率為8 Kb/s。G.729有兩個附件:附件A給出一種低復雜度的算法，可應用于多媒體同步語音和數據;附件B在標準算法的基礎上增加了靜音檢測壓縮算法以降低平均傳輸率，包括靜音檢測(VAD)和舒適噪音產生(CNG)[2]。文獻[1]對G.729語音壓縮編碼算法的具體原理中有詳盡的描述，本文的論述重點在算法的匯編語言優(yōu)化、聲碼器的DSP硬件接口設計，以及其在媒體網關中的應用。

1 G.729ab編解碼核心算法優(yōu)化

本文選擇TI公司的TMS320C6203芯片為核心，實現(xiàn)G.729ab聲碼器設計。TMS320C62xx系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio(簡稱CCS)支持標準C語言和匯編混合編程的方式編程，為了提高編解碼算法的效率，本文對ITU_T的標準G.729ab的C語言原碼進行匯編指令優(yōu)化設計。同時，對于上層編解碼器控制函數，采用C語言開發(fā)，以提高聲碼器的可維護性[3]。

C62xx采用6級流水線結構，提供了A，B兩組(共32個)通用寄存器，8個功能單元(.L1，.L2，.S1，.S2，.M1，.M2，.D1和.D2)，最多同時可以有8條指令處在不同的執(zhí)行階段并行[4]。流水線結構是DSP實現(xiàn)高速運算的重要技術。由于不同指令的指令周期不同，需要在多周期指令后插入足夠的NOP(空操作)指令，以避免流水線沖突[5]。

在G.729ab的標準C代碼中，有大量的循環(huán)體。循環(huán)控制的關鍵跳轉指令B，需要等待5個指令周期，大量的NOP操作將降低代碼的效率。為了提高循環(huán)效率，可以合理安排指令順序，在一個匯編循環(huán)體內完成多個C循環(huán)的運算的流水線操作。用匯編指令實現(xiàn)如下簡單的for循環(huán)求信號能量的程序段為例:

for (i=0;i<80;i++)

Eng = Eng+src[i]* src[i];

上述示例可使用如下匯編程序段實現(xiàn):

LOOP: LDH* B10++[2]，A10

|| SMPY A10，A10，A11

|| SADDA11，A12，A12

||[A1]SUB B0，1，B0

||[A1]B LOOP

|| CMPGTB0，0，A1

如上優(yōu)化后，循環(huán)體LOOP僅為一個周期，在這一個周期中有6條并行運行的指令。其中，內存讀取指令LDH需4個周期，故乘法指令SMPY是將向前追溯4個循環(huán)周期的內存讀取結果相乘。同理，SMPY指令需2個周期，故SADD指令是將2個循環(huán)周期之前的相乘結果相加。B0和A1配合用于循環(huán)控制，在等待跳轉指令B有效的5個延時周期內，依次進行隨后的后一循環(huán)的取數，前第3個循環(huán)的相乘，前一個循環(huán)的求和、循環(huán)控制和跳轉指令，依次類推。上述優(yōu)化實現(xiàn)了最優(yōu)循環(huán)效率。

本設計優(yōu)化后核心編解碼算法代碼完全符合ITU-T G.729ab標準，并通過了ITU-T的所有測試矢量。使用300 MHz主頻的TMS320C6203實現(xiàn)聲碼器，單片可支持31路G.729ab算法。

2 聲碼器的DSP硬件接口設計

在媒體網關中，聲碼器的功能是實現(xiàn)PSTN的E1語音信號和數據網分組語音壓縮信號之間的編解碼轉化。利用TMS320C6203片內固化設置的McBSP接口(多通道緩存串行接口)與HPI接口(主處理器接口)，可以實現(xiàn)DSP與E1總線、以及數據網上層處理器的連接。結構示意圖如圖1所示。

圖1 聯(lián)合多通道聲碼器硬件結構示意圖

TM320C6203通過內置McBSP與EDMA(Enhanced Directory Memory Access，增強型直接內存訪問)控制器配合，可實現(xiàn)與E1標準接口的鏈接。設置McBSP的接收/發(fā)送控制寄存器[6](R/XCR)，使串口按照標準E1數據格式進行數據收發(fā);設置串口管腳控制寄存器(PCR)，控制串口采用外部E1總線的時鐘和幀同步信號;設置串口控制寄存器(SPCR)，控制串口的R/XINT(收/發(fā)中斷)由EDMA響應。

TMS320C6203支持16個EDMA通道，其12~15通道可用于響應串口收、發(fā)中斷[7]。以串口接收數據為例:本設計中設計了乒、乓兩個串口數據接收緩存區(qū)。串口寄存器中的數據通過EDMA模式緩存到乒緩存區(qū)，當乒緩存區(qū)滿時，EDMA參數重載，控制切換，將數據緩存至乓緩存區(qū)，同時給出EDMA中斷，通知CPU讀取一幀數據。通過McBSP接口發(fā)送數據的過程完全類似。

聲碼器通過DSP的HPI接口與上層處理器連接，實現(xiàn)數據網分組語音壓縮信號的收發(fā)。在HPI接口中，設計了以太網數據發(fā)送/接收緩存區(qū)，并為每個緩存區(qū)設計了RP(Read Pointer，讀指針)和WP(Write Pointer，寫指針)，用于控制上層處理器和DSP之間的編碼數據交互。同時上層處理器通過HPI接口向聲碼器發(fā)送指令，控制通道的打開或關閉。

3 在媒體網關中的應用設計

聲碼器內部的主控程序采用定時中斷方式訪問HPI接口，根據上層處理器的指令打開或關閉通道。同時主程序使用輪詢方式處理從E1接口來的PCM話音信號;根據相應的通道工作狀態(tài)設置編解碼算法參數，將話音信號壓縮編碼;編碼后的語音數據，通過HPI接口輸出到上層處理器，進入數字網絡。使用完全類似的輪詢處理方式，逆向處理從來自數字網絡的編碼數據。

由于數字網絡屬于分組通信，必須有合適的多媒體實時流網絡傳輸協(xié)議以保證語音的連貫性。在聲碼器的HPI接口控制程序中，設計了一個提供給上層處理器的RTP(Real-time Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議)接口，用于完成編碼和解碼數據包的輸出和輸入及相應的RTP成幀、解幀功能，具體功能設計如下:

RTP打包和發(fā)送:RTP包由具有固定格式的包頭和數據部分組成[8]。將編碼后的語音數據，按照RTP打包參數的要求組織RTP頭和RTP凈荷。RTP包頭中的關鍵字段為SN(Sequence Number，序列號)和TS(Time Stamp，時間戳)。SN用于對RTP包進行排序。每發(fā)送一個RTP數據包，SN加1。TS用于標識RTP數據包中第一個字節(jié)采樣時的時刻，以語音樣本為單位遞增;對于語音包和靜音壓縮包，TS增值一致。另外，RTP包頭中的PT(Payload Type，負載類型)字段用于指示RTP凈荷的數據編碼格式。在RFC3550[6]中規(guī)定了標準音頻載荷類型: G.729編碼對應的PT為18。

由于RTP包頭中沒有長度字段，故對RTP包進行了外部擴展:將打好的RTP包作為凈荷，附加上RTP包數據長度、通道號，組成“以太網數據包”。針對C6203的32位尋址的HPI總線接口，設計以太網數據包格式如圖2所示。

圖2 以太網數據包的格式

RTP包發(fā)送:即寫“以太網數據包”至“以太網數據發(fā)送緩存區(qū)”。首先根據該緩存區(qū)的讀寫指針判斷剩余空間;如寫空間不夠，則放棄此次寫操作，該數據包同時被丟棄。如寫空間足夠，則將數據包寫入發(fā)送緩存區(qū)，并更新寫指針。上層處理器根據該緩存區(qū)的讀寫指針判斷該緩存區(qū)內是否有新數據，并進行讀操作，以及更新讀指針。

RTP包接收、排序和緩存:分組通信需要考慮語音的防抖動處理。本文通過設置靜態(tài)抖動緩沖區(qū)實現(xiàn)去抖動。首先根據“以太網數據接收緩存區(qū)” 的讀寫指針判斷是否有新的數據包到來，如果有，則將該數據包根據RTP的SN和TS排列在相應通道的RTP緩存隊列中。重復上述過程直至將“以太網數據接收緩存區(qū)”中所有的數據包讀完，然后更新該緩存區(qū)的DSP讀指針。對于每個通道的RTP緩存隊列，當緩存語音數據到達預先定義的閾值K時，給出標志允許該通道開始進行語音數據解碼。如果數據分組有抖動延遲，則解碼語音可繼續(xù)保持K時間單位不被打斷。

4 結 語

在純匯編并行優(yōu)化的基礎上設計了高效的G.729ab聲碼器;利用TMS320C6203的在片外設McBSP實現(xiàn)了連接PSTN的標準E1接口;設計了用于分組數據收發(fā)的RTP協(xié)議接口，利用TMS320C6203的

HPI接口方式與上層處理器連接，使聲碼器可靈活應用于媒體網關。

參考文獻

[1]劉為超，黎福海.G.729在DSP應用中代碼優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代電子技術，2005，28(5):59-61.

[2]王偉，王偉達，郭恒業(yè).G.729A語音壓縮算法分析及DSP實現(xiàn)[J].計算機工程與應用，2007(8):99-102.

[3]廖延娜，陳新富，孫健，等.一種多通道聯(lián)合聲碼器及其實現(xiàn)方法:中國，03114586[P].2005-01-26.

[4]卞紅雨，紀祥春.TMS320C6000系列DSP的CPU與外設[M].北京:清華大學出版社，2007.

[5]Texas Instruments Incorporated. TMS320C62x DSP CPU and instruction set reference guide[M]. Texas: Texas Instruments， 2006.

[6]Texas Instruments Incorporated. TMS320C6000 DSP multichannel buffered serial port(McBSP) refercend guide[M]. Texas: Texas Instruments， 2006.

[7]Texas Instruments Incorporated. TMS320C6000 DSP enhanced direct Memory access(EDMA) controller reference guide[M]. Texas: Texas Instruments， 2004.

[8]SCHULZRINNE H， CASNER S， FREDERICK R. RTP:a transport protocol for real-time applocations， RFC3550[S]. New York: Columbia University， 2003.