張正文，張永杰，王 耿

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

G.729算法復(fù)雜度較大，實(shí)時(shí)性效果不好，但是隨著運(yùn)算能力很強(qiáng)的DSP快速發(fā)展及對(duì)各種優(yōu)化方法的研究，該算法已經(jīng)成為當(dāng)前中、低速率語(yǔ)音編碼中的主流算法［1］.該算法處理的輸入信號(hào)需是經(jīng)8kHz采樣編碼產(chǎn)生16位線(xiàn)性PCM的語(yǔ)音信號(hào)，編碼處理后輸出速率為8kbps的2進(jìn)制bit流，壓縮比例約為16∶1.在DSP利用該算法處理語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，需由通訊模塊對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集及必要的處理，如信號(hào)放大、A／D等.編碼后的bit流經(jīng)存儲(chǔ)傳輸后可通過(guò)相應(yīng)的解碼程序恢復(fù)出高質(zhì)量的語(yǔ)音信號(hào).目前，G.729編譯碼器已被廣泛用于數(shù)據(jù)通信的各個(gè)領(lǐng)域，如 H.323及IP Phone等［2］.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架圖見(jiàn)圖1，語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)線(xiàn)路輸入或麥克風(fēng)輸入，經(jīng)TLV320AIC23芯片采集預(yù)處理轉(zhuǎn)換，生成符合G.729算法處理的16位的線(xiàn)性PCM.DSP通過(guò)片上MCBSP0對(duì)TLV320AIC23芯片進(jìn)行控制，通過(guò)MCBSP1與TLV320AIC23芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)交換.PC機(jī)通過(guò)JTAG口將程序燒錄進(jìn)DSP，16位的PCM語(yǔ)音信號(hào)通過(guò) MCBSP1進(jìn)入DSP后經(jīng)壓縮編碼算法處理生成bit流，bit流經(jīng)MCBSP1傳至外部通信系統(tǒng)或模塊，用于傳輸或存儲(chǔ)，在解碼端通過(guò)相應(yīng)的G.729算法解碼程序還原語(yǔ)音.若是在單片DSP上驗(yàn)證算法的正確性及重構(gòu)語(yǔ)音質(zhì)量的失真度，可將bit流經(jīng)解碼程序解碼后將數(shù)據(jù)回傳給TLV320AIC23芯片，經(jīng)D／A及放大后回放重建語(yǔ)音.

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)搭載在北京達(dá)盛公司DSP實(shí)驗(yàn)箱上，該實(shí)驗(yàn)板DSP最小系統(tǒng)帶有JTAG口，配有配套的數(shù)據(jù)線(xiàn)及仿真器，且有現(xiàn)成電源及語(yǔ)音輸入輸出口，故硬件設(shè)計(jì)主要是TLV320AIC23與DSP的接口設(shè)計(jì).TLV320AIC23芯片是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻編解碼器芯片，內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持麥克風(fēng)及線(xiàn)路輸入兩種輸入方式，且對(duì)輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)［3］.TLV320AIC23的ADC和DAC部件高度集成在芯片內(nèi)部，可以在8～96kHz的頻率范圍內(nèi)提供16bit、20bit、24bit和32bit的采樣.故語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)TLV320AIC23采集后可產(chǎn)生采樣率為8kHz的16位線(xiàn)性PCM信號(hào)，提供符合算法處理的輸入信號(hào).TLV320AIC23的引腳可以分為信號(hào)輸入輸出引腳、控制引腳、數(shù)據(jù)傳輸引腳及電源引腳等，其中信號(hào)輸入輸出引腳及電源引腳連接比較簡(jiǎn)單，參考芯片資料中的典型電路即可連接完成，控制引腳有4個(gè)，分別是SCLK、CS、SDIN、MODE，該4管腳主要是用來(lái)協(xié)調(diào)主機(jī)DSP對(duì)TLV320AIC23的初始化，數(shù)據(jù)傳輸引腳有5 個(gè)，分 別 是 BCLK、LRCIN、LRCOUT、DIN、DOUT，這些引腳用來(lái)與主機(jī)DSP進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)的交換.主機(jī)DSP的6個(gè)多通道緩沖串口引腳也可以分為控制引腳和數(shù)據(jù)引腳，控制引腳主要是時(shí)鐘發(fā)送接收引腳BCLKX、BCLKR和幀發(fā)送接收引腳BFSX、BFSR，數(shù)據(jù)引腳是BDX、BDR，根據(jù)芯片資料及DSP管腳的功能，TLV320AIC23與主機(jī)DSP引腳連接設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2、圖3.

1.2 軟件設(shè)計(jì)

TLV320AIC23芯片的初始化及工作過(guò)程都是通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)的，DSP接收、處理及發(fā)送數(shù)據(jù)亦是由軟件控制.軟件設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的模塊化、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，程序可分為DSP初始化、MCBSP0與TLV320AIC23芯片通信、MCBSP1與TLV320AIC23芯片的數(shù)據(jù)交換、G.729編碼程序、G.729解碼程序等五大模塊（圖4）.

2 編解碼程序設(shè)計(jì)及優(yōu)化

2.1 編解碼程序設(shè)計(jì)

編碼器處理的對(duì)象是每一10ms的語(yǔ)音幀，即80個(gè)采樣點(diǎn)，每一幀信號(hào)又均分為2子幀.對(duì)每一幀信號(hào)，進(jìn)行分析提取相關(guān)模型及激勵(lì)參數(shù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行編碼即可.為減少運(yùn)算中的溢出現(xiàn)象，預(yù)處理階段，將輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行折半處理，并用截止頻率為140Hz的高通濾波過(guò)濾低頻噪聲.線(xiàn)性預(yù)測(cè)分析階段，先將樣點(diǎn)數(shù)據(jù)加窗再求自相關(guān)系數(shù)，并進(jìn)行60Hz帶寬擴(kuò)展修正自相關(guān)系數(shù)，然后利用所得系數(shù)經(jīng)Levinson–Durbin算法處理即可得到線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù).為便于量化及插值，須將預(yù)測(cè)系數(shù)轉(zhuǎn)換成線(xiàn)譜對(duì)，然后用線(xiàn)譜對(duì)系數(shù)進(jìn)行量化與插值，最后又將線(xiàn)譜對(duì)系數(shù)還原成線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù).加權(quán)使用的是未經(jīng)量化的線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)［4］.自適應(yīng)碼本分析搜索范圍是通過(guò)開(kāi)環(huán)基因分析得到的，以減少碼本搜索復(fù)雜度.自適應(yīng)碼本和固定碼本搜索對(duì)每一子幀都進(jìn)行.之后，利用下一子幀更新合成濾波器和加權(quán)濾波器的參數(shù)，最后對(duì)所得參數(shù)按照一定順序編碼，具體的bit分配見(jiàn)表1.

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程總體圖

解碼過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單.首先將參數(shù)提取出來(lái)，對(duì)每一子幀，將線(xiàn)譜對(duì)系數(shù)進(jìn)行插值并轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性預(yù)測(cè)系數(shù)；然后將自適應(yīng)碼本和固定碼本乘上增益后的激勵(lì)信號(hào)，將激勵(lì)信號(hào)通過(guò)線(xiàn)性預(yù)測(cè)合成濾波器重構(gòu)語(yǔ)音，加上自適應(yīng)后濾波和高通濾波等后處理完成語(yǔ)音重建.

表1 壓縮編碼bit分配表

2.2 算法程序優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需對(duì)ITU提供的G.729源代碼進(jìn)行系列優(yōu)化，優(yōu)化程度可分算法級(jí)、C語(yǔ)言級(jí)及匯編器級(jí)優(yōu)化.算法級(jí)優(yōu)化主要可進(jìn)行以下工作.

其一，取消5ms前瞻：在LP分析階段，原算法中有5ms數(shù)據(jù)的前瞻，在運(yùn)算中可將這5ms的數(shù)據(jù)全部用0來(lái)代替，可節(jié)省很多計(jì)算量.

其二，開(kāi)環(huán)基因搜索采用粗化搜索方式，即在計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)，將原算法中的搜索步長(zhǎng)增加為2，即將

用

代替，其中，k＝20，21，…，143，可節(jié)約一半時(shí)間，再者由于連續(xù)語(yǔ)音數(shù)據(jù)幀中的基音延時(shí)值變化較小，當(dāng)變化小到一定范圍，就可不必搜索，直接用前一幀的值代替.判斷的方法是先確定一個(gè)比較的閾值η，然后將相關(guān)的計(jì)算結(jié)果與閥值進(jìn)行比較，只有當(dāng)計(jì)算值大于閾值時(shí)才需搜索，其中閾值由一段普通話(huà)語(yǔ)音測(cè)出.經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，筆者將η設(shè)為50 331 604，而每幀的計(jì)算值Fi利用線(xiàn)譜對(duì)（LSP）系數(shù)按公式計(jì)算得出：

其中wk取值為0.02，0.04，0.04，0.04，0.04，0.09，0.10，0.05，0.07，0.05，采用 Q15格式表示；lspi（k）是第i幀的第k個(gè)系數(shù).

其三，在所有的乘法運(yùn)算中，舍棄運(yùn)算結(jié)果為0的運(yùn)算項(xiàng).

其四，固定碼本搜索算法改為脈沖序列重置法：即先將40個(gè)可能的脈沖位置依次代入式（1），計(jì)算出單個(gè)脈沖的貢獻(xiàn)值，然后在同一軌道中按照貢獻(xiàn)值大小重新排序，選擇重置后每個(gè)軌道的前四個(gè)脈沖位置進(jìn)行搜索.國(guó)外學(xué)者Nam Kyu Ha經(jīng)研究其統(tǒng)計(jì)命中率已達(dá)95%以上，且該算法搜索次數(shù)僅為4×4×4×4×2＝512［5］.

C語(yǔ)言級(jí)及匯編器級(jí)優(yōu)化方式主要有：省略不必要的溢出判斷；將性質(zhì)相同的函數(shù)排列在一起，利于編譯器將其編譯成具有平行運(yùn)算結(jié)構(gòu)的代碼；調(diào)用循環(huán)時(shí)，使循環(huán)體盡可能短，并且盡量避免轉(zhuǎn)移判斷語(yǔ)句；合并指令數(shù)較少的函數(shù)，如自相關(guān)函數(shù)、加窗函數(shù)等，可節(jié)省對(duì)堆棧的操作時(shí)間；對(duì)于指令數(shù)與調(diào)用次數(shù)都較少的函數(shù)，在函數(shù)名前加一個(gè)關(guān)鍵字inline，編譯時(shí)比較省時(shí)，是一種空間換時(shí)間的優(yōu)化手段.在PC機(jī)中，算法實(shí)現(xiàn)的軟件平臺(tái)是CCS2.0，可以利用一些基于這個(gè)平臺(tái)的成熟的優(yōu)化方法，如Intrinsic函數(shù)的使用、CCS的C／C＋＋編譯器的選項(xiàng)打開(kāi)，編譯時(shí)采用Release模式，排除Debug信息等，這些優(yōu)化方法對(duì)提高系統(tǒng)性能的影響較大.

3 試驗(yàn)結(jié)果

將優(yōu)化后的程序通過(guò)仿真器與JTAG口下載到DSP中，將自己錄制的一段語(yǔ)音通過(guò)PC機(jī)線(xiàn)路輸入給TLV320AIC23輸入接口，通過(guò)該系統(tǒng)編解碼后可以還原失真度尚能接受的重建語(yǔ)音，原始語(yǔ)音與重建語(yǔ)音的波形圖見(jiàn)圖5、圖6.若對(duì)編解碼程序及系統(tǒng)進(jìn)行一系列深度優(yōu)化，效果可達(dá)更佳，有待進(jìn)一步努力.

［1］鄒 翼.基于DSP的G＿729語(yǔ)音編碼的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)圖書(shū)館，2009.

［2］陳明義，龔玉蓉.基于TMS320VC5509DSP通信系統(tǒng)的 G.729算法實(shí)現(xiàn)［J］.信息技術(shù)，2007（2）：95－96.

［3］Stereo Audio CODEC，8to 96kHz，With Integrated Headphone Amplifier TLV320AIC23Data Manu［J］.Texal Instruments，2001（6）：22－43.

［4］International Telecommunication Union.Recommendation G.729：Coding of speech at 8kbit／s using conjugate structure algebraic code excited linear prediction（CS－ACELP）［EB／OL］.（2007 – 01）http：／／www.itu.int／rec／T－REC－G.729－200701－I／en.

［5］呂治國(guó).G.729標(biāo)準(zhǔn)碼本搜索算法分析及優(yōu)化［J］.電聲技術(shù)，2008，32（9）：46－48.