（通信与信息系统专业论文）基于dsp的实时视音频编解码系统.pdf

j l 京邮电人学硕士研究生学位论文一一萆卜i ) s p 的实刊视音频编觯码系统 声明 独创性( 或创新性) 声明 木人声明所呈交的论文是本人在导师指导f 进行的研究t 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了义中特别加以标注和致谢巾所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志剥本研究所做的任 何贡献均已在沦丈中作了叫确的说明并表示，谢意。 巾请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：地蝴日期：塑! 兰：! 塑 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位淦义的规定，即： 研究生在校攻读学何期间论文 i 作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阉：学校u j 以公布学位论文的全部或部分内容，刈以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位沦文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密沦 史注释：本学位论文不属丁保密范围，适用本授权书。 本人签名 导帅签名 日期： 日期： 婴生：堕 上垃扛烩 北京邮电大学钡十研究生学位论文一一基十d s p 的实时视音频编解码系统 基于d s p 的实时视音频编解码系统 摘要 进入数字信息时代，电子产品全面数字化的结果带来了形彤色色 数宁信息产品的繁荣，其中数字语爵和数字影像发挥着越来越大的作 用，而数字视音频产业的核心技术是视音频编解码软件技术。数字信 号处删器( d s p ) 臼从2 0 世纪7 0 年代来问世以来，以其独特的结构 利快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，发展寸分迅速，广泛 应刚寸二音频和视频信号的处理中。 本论文在详细研究了g 7 2 6 语音编解码和m p e g 4 视频编码的体系 结构、核心技术的基础上，结合t l 公司t m s 3 2 0 d m 2 7 0 硬件开发平台 的特征，对( j 7 2 6 编码、解码算法和m p e g 4 的编码算法进行了多层次 的优化，大大提高了算法的运行速度，优化后的代码能在硬件开发平 台i ：对实时音频和视频信号进行编码和解码。 本课题巾开发的实时视音频编解码系统是在d s p 硬件环境下软 竹仿真实现磁卡式数字摄录机( 英文缩写为d v c ) 的视音频数据编解 码模块，不仪成功的应用了g 7 2 6 和m p e g 4 标准，而且具有运h 到 d v c 产品r 1 1 去的实际价值。 关键词：沿音压缩( ；7 2 6 标准视频堆缩m f ) e g 4 标准 i ) s i t m s 3 2 0 c 5 4 x 北京邮电大学硕士研究生学位论文一基于d s p 的实时观音频编解码系统 d s pb a s e d r e a i j i m r ea u d i oa n dv i d e oc o d e cs y s t e m a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t so f d i g i t a lt e c h n o l o g ya n dm u l t i m e d i a m a n yn e wk i n d so fe l e c t r o n i cp r o d u c t s a r ew o r l d w i d eb e c o m i n gm o r e a n dm o r e p o p u l a r t h ed i g i t a la u d i oa n dv i d e oc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y i s o n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e s a n dt h ed s pt e c h n o l o g yi st h em o s t e f f i c i e n t m e t h o df o rt h e i ra c t u a li m p l e m e n t i nt h i sp a p e r ，ap r o j e c tr u n n i n go nt m s 3 2 0 c 5 4 0 9 c h i pf o rr e a l - t i m e s p e e c he n c o d i n g & d e c o d i n g a n dv i d e oe n c o d i n g & d e c o d i n gi sd e s i g n e d a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eh a r d w a r es t r u c t u r et h eo p t i m i z a t i o n t e c h n i c a li sg i v e ni nd e t a i lt og 7 2 6e n c o d i n ga n dd e c o d i n ga n dm p e g 4 e n c o d i n ga l g o r i t h m sf o rt h i sh a r d w a r e a n dc o m p i l es y s t e m w h a ti sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i si st h a ta p p l y i n gg 7 2 6a n dm p e g 4 s t a n d a r d st o d i g i t a l v i d e o c a m e r a ( d v c ) u s i n gc a r dm e m o r y t h e s o f t w a r es y s t e mo ft h i st h e s i sn o to n l yu s e sg 7 2 6a n dm p e g 4 s t a n d a r d s s u c c e s s f u l l y ，b u ta l s or e a l i z e st h ep r a c t i c a b i l i t yf o rd v c k e yw o r d s ： s p e e c h c o d i n g g 7 2 6 v i d e o c o d i n g m p e g 4 d s pt m $ 3 2 0 c 5 4 x 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文一基于d s p 的实时视音频编解码系统 第一章系统总体设计 第一节流行、时尚的多媒体技术应用数字摄录机 数字摄录机，又称数字摄像机或数码摄像机，是目前比较流行、时尚的消费 性小家电电子产品。由于数字摄录机采用了c c d 作为记录图像的光敏介质，而 c c d 是通过光照的不同引起的电荷分布的不同来记录被摄物体的视觉特征，所以 数字摄录机拍摄的图像可以直接输入到计算机中，无需购买胶卷，并且拍摄时可 以随时看到拍摄效果，不满意可以立即重拍，从而比传统相机拥有节约成本、数 字化方便、减少误拍等多项优势。数字摄录机不仅可以摄录一个静态场景( 即有 数码相机的功能) ，更可以将你感兴趣的一段动态场景摄录成一个节目。 1 数字摄录机的构成 从多媒体系统的角度看数字摄录机的构成，可由图卜l 中的虚线左边的部分 表示： 图1 - 1 数字摄录机的构成 图中“摄像炎”和“麦克风”接收视频和音频信号，并将这些信号数字化 厩传入数字摄录机的“c p u 中央处理单元”；“显示器”和“扬声器”是播放( 回 放) 摄录节目的视频和音频的显示部件；“磁盒式存储器”和“磁卡式存储器” 是数字摄录机的存储设备；“功能操作键盘”是用户操作的界面；“c p u 中央处理 单元”足数字摄录机完成各项功能的核心部件，它根据“功能操作键盘”的操作 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 指令，完成对从“摄像头”和“麦克风”来的数字信息的压缩编码和对从存储器 来的数据的解码。 2 数字摄录机的发展趋势 数字摄录机的发展趋势是小型化、轻量化、高清晰化。“高清濒化”要求数 字摄录机中采用更先进的多媒体数据压缩算法；“小型化”和“轻量化”要求数 字摄录机体积越来越小，同时重量越来越轻。存储器技术的发展，使得数字摄录 机的“小型化”和“轻量化”成为现实。当前，磁卡式存储器越来越受到数字摄 录机使用者的青睐。而众所周知，无论是m m c 卡、s d 卡或是记忆棒，它们的存 储量还是有限的。但采用先进的多媒体数据压缩算法就可以大大地提高存储卡所 存储的数据量。因此数字摄录机使用磁悟式存储器时采用怎样的数字压缩方法， 也越来越受到技术研究领域的关注。 第二节课题的前期准备 1 数字压缩标准的选择 本课题研究视音频压缩标准在磁卡式数字摄录机中的应用，需要考虑数字摄 录机的硬件环境及实时应用价值。因此，决定选择什么数字压缩方法需要从应用 前景、算法的难易程度、硬件平台的性能与功耗及软件开发周期等诸多方面考虑。 音频、视频、系统各部分采用的具体标准如下： i ，音频部分采用g 7 2 6 标准。d v 标准中要求音频具有极高的保真度，一般 采用p c m 方式处理音频数据，采用g 7 2 6 压缩后的音频数据量是采用p c m 压缩后的数据景的几分之一一，同时其压缩算法更简单一些，能保证较高 的声音保真度。 视颁部分采用m p e g 4 视频标准。m p e g 4 视频压缩率比d v 标准的压缩率大 得多，同时作为新制定的而又充满活力的标准，必将成为未来多媒体技 术应用领域数字压缩标准的主流，冈此将m p e g 4 视频技术应用到数字摄 录机中也是一种学术上的研究和探讨。 8 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 系统部分采用m i c r o s o f t 公司推出的a s f 流格式。a s f ( a d v a n c e d s 1 r c a m i n gf o r m a t ) 是一个开放标准，它能依靠多种协议在多种网络环 境下支持数据的传送，是目前发展比较成熟并得到广泛虑用的一种流媒 体格式。选用该格式适应了当前数码产品网络化的技术发展趋势。 2 开发环境的选择 本课题采用+ r t 公司的t m s 3 2 0 d m 2 7 0 评估板( e v m ) 上编程实现g 7 2 6 和m p e g 4 的实时编解码器，此编解码器最终可嵌入到d v c 产品中，用于处理数据最较大的 况爵频数据。软件编程使用c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( 简称c c s ) ，是t i 公司推出 的为开发t m s 3 2 0 系列d s p 软件的集成开发环境( i d e ) 。 p c ( w i t hc c s 2 2 ) 图i 一2 简单的开发环境框图 第三节课题的任务描述与技术指标 e v m ( t m s 3 2 0 d m 2 本课题是在d s p 硬件环境f 软件仿真实现磁卡式数字摄录机( d v c ) 的视音 频数据编解码模块，为记录和回放存储在磁卡式存储器中的视频和音频数据做准 备。 1 系统功能描述 从功能卜看，系统总体上可以分为两个部分，一个是编码器功能，另一个是 解码器功能。这两个功能都包括视频部分和音频部分，且都是在d s p 硬件平台f 软件仿真实现。下面分别介绍这两个功能： 1 1 编码器功箭 该编码器隶属于d v c 产品摄录功能的一个重要组成部分。由摄像头进来的 北京邮电人学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 y u v 信号经m p e g 4 视频模块压缩成m p e g 4 码流，同刚，由麦克风采样进来的信号 经g 7 2 6 爵频压缩模块压缩成6 7 2 6 码流，这两路码流被送到a s f 系统编码器进 行编码，生成的媒体对象数据文件存储在s d 卡上。 。i 视频 音频 图1 3 摄录功能模块图 以卜各个模块均由不同的外设组成，而虚线框内部分主要由d s p 器件实现， 正是本课题涉及的重点部分。为了使程序编写起来比较简单，在编码器功能的开 发过程中，我只涉及虚线框内的模块，而暂时屏蔽与其他部件的通信，包括视频 和音频原始数据的输入，也不采用实时采集和录入的方式，而是使用现成的视频 y u v 数据流和音频p c m 数据流。 s d r a md s p y u vy u v e g 4 一h ，e g 4 _ 一 m c b s p r i n g b u f f e r g7 2 6 - 一g 7 2 6 r i n g b u f f e r 图1 - 4 简单的编码器数据流程图 1 2 解码器功熊 该解码器隶属于d v c 产品回放功能的一个重要组成部分。当指定播放s d 卡 上的某a s f 文件时，将媒体对象数据文件送往a s f 系统解码器从而获得m p e g 4 和g 7 2 6 两路码流，再将两路码流分别传到相应的解码器实现解码播放。 1 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文基于d s p 的宴时视音频编解码系统 图1 5 回放功能模块圈 类同上面的原因，为了使程序编写起来比较简单，在回放功能的开发过程中， 我也只涉及虚线框内的模块，并使用现成的m p e g 一4 的视频流和g 7 2 6 的音频流。 考虑到工作量的问题，m p e g 4 视频解码器由他人负责。 图1 - 6 简单的解码器数据流程图 p c m - 卜 2 技术指标 首先g 7 2 6 和m p e 6 4 是国际通用的多媒体标准，因此本课题开发的编解码器 也应当遵循其中各项技术指标。对于g 7 2 6 编码器，输入的原始数据为8 k h z 采 样、精度为8 b i t 的单声道p c m 数据，输出比特率可选为四种1 6 、2 4 、3 2 、4 0 k b p s ； 对j 二g 7 2 6 解码器，反之亦然。对于m p e g 4 编码器，输入的原始数据为y u v 4 ：2 ： 2c h u n k yf o r m a t ，图像大小包括3 5 2 2 8 8 ( c i f ) 、3 2 0 2 4 0 ( q v g a ) 、2 4 0 1 7 6 ( 1 2 v g a ) 、1 7 6 1 4 4 ( o c i f ) 、1 6 0 1 2 0 ( q q v g a ) 、1 2 8 9 6 等六种格式，输出 帧率最大为3 0 f p s ，输出比特率最大为1 m b p s 。 程序运行需要先裁入到d s p 芯片的片上存储器中，而总的片上存储器是非常 有限的，仪有6 4 r 字长。因此，对于程序的空间复杂度必须满足以下公式： 北京邮电大学硕上研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 m p e g 4 编码器+ g 7 2 6 编码器+ s y s t e m = 6 4 kw o r d s m p e g 4 解码器+ g 7 2 6 解码器+ s y s t e m = 6 4 kw o r d s 由于本编解码器系统最后要实现商用价值，要求具有实际运用能力，即处理 速度必须达到实时效果。简单的说，一分钟输入的视频和音频数据必须在一分钟 内处理完成，否则会造成数据丢失。现以最高要求的输入输f _ _ 为准，对于编码器 系统，在一分钟内编码3 0 帧的c i f 格式的y u v 数据和选择4 0 k b p s 为目标码率的 6 4 k b p sp c m 数据；对于解码器系统，反之亦然。 3 方案设计 整个程序采用模块化设计，以优化c 语言编程为主。考虑到本项目的特点， 开发流程为先分别实现单独的g 7 2 6 编解码器和m p e g 4 编解码器，并分别优化， 重点考虑占用片l 内存的大小和处理速度，生成预定标准接口的库函数，最终实 现m p e g 4 + 6 7 2 6 的实时视音频编解码系统。 4 论文内容安排 本论文的主要内容安排为：第一章介绍这套视音频编解码应用系统的结构及 其所实现的全部功能：第二章对课题中涉及的音频压缩技术、视频压缩技术及 d s p 技术作简要的叙述；第三章详细介绍该系统的硬件开发平台t i 公司的 t m s 3 2 0 d m 2 7 0e v m 和t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 芯片，提出系统软件的具体实现；第四章具体 分析g 7 2 6 编解码器算法的特点以及在t m s 3 2 0 d m 2 7 0 评估板上的实时实现；第五 章具体分析m p e g 4 编码器算法的特点以及在t m s 3 2 0 d m 2 7 0 评估板上的实时实现： 第六章介绍如何将陔视音频编解码系统整合到d v c 产品中去，并总结全文的工 作。 1 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 第二章课题中相关技术的简介 第一节语音压缩编码技术 无论何时、何地，以任何方式通信，语音通信将是最基本、最重要的方式之 一，而语音压缩编码将是最基本、最重要的技术。这是因为最终产生信息、获取 信息的是人，而人是以语音作为主要通信手段的。在通信系统中为了节省带宽， 以及在语音存储系统中节省存储空间，音频信号的压缩编码技术有大幅度的发 展，哥频带宽也从3 2 k h z 的话带发展到7 k h z 会议电视宽带的话音压缩和2 0 k h z 菏乐宽带爵频信_ 弓脏缩。 1 语音编码技术的回顾 语音压缩编码的发展，一直是在用尽可能低的数码率获得尽可能好的合成语 音质量的矛盾中发展的。数码率实质上反映的是频带宽度，降低数码率实质上是 压缩频带宽度。当然随着数码率的降低，相应的算法延迟时问和计算复杂度也要 增加。、 最初，语音处理是以滤波器为主构造的通道声码器。在众多声码器中，线性 预测l p c 声码器终因其成熟的算法和参数的精确估计成为研究的主流，并逐步 走向实用。它们主要以线性组合模型均方误差最小意义下逼近原始波形的方法提 m 参数，研究出自相关法、协方筹法、格型法等实用快速算法。 从1 9 8 5 年提出c e l p 算法以来，闭环分析算法( l p a b s ) 成为主流。在按下 来的】0 年中就产生了3 个国际标准、2 个地区性标准和2 个国家标准，可见语 音压缩编码的研究发展之快。这些算法的共同特点是采用闭环l p a b s 算法、知觉 加权技术。符合窗技术、l s p ( l s f3 技术、后置滤波技术、增益自适应技术、分 数基凶内插技术等。另外，多带激励( m b e ) 、自适应变换编码( a t c ) 和子带编 码等语音压缩编码的实用方案也提出来了。 2 语音编码技术的展望 近年来随着第三代移动通信的发展，变速率语音压缩编码技术相应得到发 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 展。为了充分利用c d m a 技术，1 9 9 3 年提出了可变速率的c e l p ，通常称为q c e l p 。 1 9 9 9 年公布的第三代伙伴计划( 3 g p p ) 把自适应多速率( a m r ) 语音编解码作为 要技术。该技术有8 种速率供选择，并采用语音激活技术( v a d ) 、舒适背景噪 声( c a n ) 、源控制速率( s c r ) 、重帧及误码消除( e c u ) 、抗稀疏处理等先进技术。 它能根据信道质量选择不同的编码速率，通信质量接近或达到长途电话质量。 在市场牵动下，高保真音频压缩在近几年发展也很快。目前国际上音频压缩 算法主要集中在i s o - - m p e g 音频编码标准。1 9 9 7 年完成的m p e g 2a a c 对低至 6 4 k b s e h 的多声道编码，它都能提供相当高的声音质量。经测试，a a c 标准以 3 2 0 k b s 的数码率传送五声道全频带的音频信号，比m p e g 2 以6 4 0 k b s 的数码率 传送的音质还略好一些，达到i t u r 音质。子带编码是宽带语音压缩的主要技 术。 3g 7 2 6 现有的音频编码标准主要有g 7 1 1 、g 7 2 6 、g 7 2 8 、g 7 2 9 、g 7 2 3 1 等，这 些都是i t u t 制定的关于音频的标准，它们分别采用的压缩算法和数据速率如表 2 1 所示。 表2 - 1i t i j 关于话音编码的系列标准 囊缫荔缀黼缫l # t # # 船 搿 t i # # 搿# 簿 # # # t # 黼豢蕤霾l 黼ll 燃蘸黼 g 7 1 lp c m 6 4 k b p s 支持c i f 格式的m p e g 4i + p 帧视频达到3 0 f p s 在片9 0 m h z 的a r m 73 2 b i t 微处理器，片上程序数据内存为3 2 k b y t e s 在片t 上的d s p 内核频率达i o o m h z ，片上程序数据内存为1 2 8 k b y t e s n ：片图像处理缓冲两片，共2 8 k b y t e s j r 在片频率高达1 8 0 m h z 的可编程s i m d 图像处理引擎( i m x ) 用于图像视频压缩和解压缩的变长编码和解码协处理器( v l c v l d ) 图3 3 是d m 2 7 0e v m 的功能块图，其中右下角的部分是本系统涉及的关键器 件： 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时观音频编解码系统 婶醣m 哦s 铷唪篮嚣唆。锯净d 钟龇 图3 - 3d m 2 7 0 开发板功能块图 第三节t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 芯片 1c 5 4 0 9d s p 内核的主要特性 f m s 3 2 0 c 5 4 0 9 是t i 公司生产的一种性价比较高的1 6 b i t 定点d s p 芯片，其 单指令周期为l o n s ，运算速度最高达i o o m i p s 。它拥有改进的哈佛结构、一个 c p u 、片上存储区、片上外设以及专用的指令结构。它具有以f 主要优点： l 条程序总线、3 条数据总线和4 条地址总线。配合存储区的双操作数读取 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 能力，可以支持单周期，三操作数指令，提高了程序的运行和通用性； 先进的针对应用设计的c p u 硬件逻辑提高了芯片的性能。拥有4 0 位算术逻 辑单元( a l u ) ，包括+ 个4 0 b it 的桶形移位器和两个独立的4 0 b i t 累加器， 1 7 b i t 1 7 b it 并行乘法器，指数编码器，比较、选择和存储单元( c s s o ) ，8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器算术单元等。乘加操作、比较选择存储器操 作在单指令周期内完成； 最大可寻址能力为1 9 2 k 字，扩展寻址模式时具有8 m 字的最大可寻址外部程 手空间。片内有2 4 k 字d a r a m 、8 k 字s a r a m 和1 6 k 字r o m ； 高度专用的指令结构提供了更快的算法实现和更方便的优化。包括单指令重 复和块指令重复操作，块存储器传送指令，3 2 位长操作数指令，能并行存储 和并行加载的算术指令，条件存储指令和从中断快速返回指令； 完备的片内外围设备与c p u 连接，从而为硬件设计提供了方便。片上外设包 括软件可编程等待状态发生器、可编程的内存空间切换功能、并行i o 口、 三个多通道缓冲串口( m c b s p ) 、一个并行主机接口( h p i ) 、一个1 6 位定时器、 个6 通道的d m a 控制器、片内可编程锁相环( p l ，) 和数据总线保持器； 模块化结构方便了快速的后续发展： 先进的i c 处理技术实现了高性能和低功耗，5 v 静态c m o s 技术进一步降低了 功耗。 2 可编程d s p 外围设备 图3 - 4d s p 子系统块图 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 从上图可以看出，d s p 主要可以访问以卜“个外围设备： i m a g eb u f f l e r b u f a 和b u f b 用来做图像处理的工作内存，可以被d s p 内核、加速引擎 和s d r a m 控制器所共享，每块b u f f e r 的大小是4 k 字，是d s p 的扩展内存， 它内嵌有d m a 控制器。 其它的共享内存还有：i m x 参数内存是i m x 参数和临时的工作空间，d s p 需要初始化滤波器的参数表到这块内存；i m x 命令内存是用来存放i m x 程序 命令的：v l c d 量化表内存用来存放v l c d 引擎的量化表，d s p 可以更新该表： v l c d 霍夫曼表内存用来存放v l c d 引擎的霍夫曼码表，d s p 也可以更新该表。 以上所有扩展内存均由d s p 控制访问开关。 表3 - 1 扩展内存结构 、囊赫露蠹粪a a 黼蠹：； 嚣蠢；瓣黼 i 嬲鬻l ；-；| | | 鼙媛鎏 i 囊翔隧姥i i 耪s 黔：； o i m a g c 州棚c f f f h 口 4 k o9 imagd咖h-dfffh q 4 k 口 oq e 0 0 0 h e d f f h3 s ki m xc o e f f i c i e n t q q e e 0 0 h f 5 f f h2 ki m xc o m m a n d 口 q f 6 0 们 f 7 f f h5 1 2 v l c d q t a b l e 9 o9 f 8 0 0 h f f f f h2 kv l c d h u f f m a n o 北京邮电大学硕士研究生学位论文一基于d s p 的实时观音频编解码系统 d s p 与a r m 通信是通过h p i 接口实现的，它是实现最后系统合成的关键 部件，因此将在第六章作详细的介绍。 3 片上内存映射 c 5 4 0 9 的存储空间可以分成3 个可单独选择的空间：程序、数据和i o 空问。 在任何一个存储空间内，d a r a m 、r o m 、s a r a m 或存储器映像外围设备都可以驻留 在片内或片外。 酾 m k幢 s d 蕊h 转出 籁e s r 簿媳d 0 艇 # 铡 d a t a j p 。瑚翻f rd 锵剐融0 9 诗打 r a m蝴 f o a y ：1 t ( ) v 【v = j 7 f f f b 掩 秘砖m m r a 躺r o 嘛 雕：e 茹 c 0 0 0r 0 劓 f d r o m = ， 0 r r o 赫 椭瓣e 8 u 黯r f 晰p 辩c = 国 d r o m = 皤g 三 # # 鞋嗍v 础 ( 0 转0 氛协1 ) i n 拇m i $ 0 f r e 辅r 帕 b 啪0 e8 i 确i ； f = 2 t ) 掰 f d r ( 蕊4 - - - 0 ) f m p 带：廿l e f e i 表3 - 2i 0 空间映像 f ) a g i ) 转e s 8 m d a f a j 脚0 9 i 鲫 洲 “姒v ： r g s e i 璃d p 铷端m r a m 0 x 0 似m h 0 x 0 0 0 9 hi m a g eb u 雕r 0 x 0 毗0 h 一0 x 帅1 7 hi m x 0 x 帅2 0 h o x 0 惦f hv l c d 0 x 0 0 8 0 h 0 x 0 0 8 7 hh p i b 0 x f f f e hc l o c kc o n t r o l 0 x f f f f hd s pt oa r mi n t e r r u n t 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的宴时视音频编解码系统 第四节系统软件实现 1 软件开发环境 c o d ec o m p o s e rs t u d i o 简称c c s ，是t i 公司推出的为开发t m s 3 2 0 系列d s p 软件的集成开发环境( 1 d e ) 。c c s 工作在w i n d o w s 操作系统下，类似于v c 十+ 的集 成开发环境，采用图形接口界面，提供编辑工具和工程管理工具。它将各种代码 产生工具，诸如汇编器、链接器、c c + + 编译器、建库工具等集成在一个统一的 开发平台中。c c s 所集成的代码调试工具具有各种调试功能，能对t m s 3 2 0 系列 d s p 进行指令级的仿真和进行可视化的实时数据分析。此外，还提供了丰富的输 入输出库函数和信号处理的库函数，极大地方便了d s p 软件的开发过程。 开发过程是这样的：编写源代码文件，然后使用c c s 集成开发环境通过编译、 汇编和链接，生成d s p 可执行的c o f f 目标代码，再通过c c s 下使用装入命令通 过仿真器和j t a g 接口把目标代码写入d s p 芯片的映射存储器中，发送运行指令， 观测d s p 芯片内部的资源情况和运行的中间结果，反复修改调试直到达到设计要 求。 2 系统软件 d s p 应用程序开发的内容主要包括系统初始化程序设计和应用程序设计两个 主要方面。系统初始化程序是应用程序可以在仿真板上运行的基础，必须首先进 行。在本系统中，由于开发硬件环境相同，所以系统初始化程序大同小异。主要 包括以下几个文件： d m 2 7 0 e v m c m d ：链接器命令文件，实现程序重新定位 c p u r e g is t e r 2 7 0 h ，i m a g e b u f f e r l 0 2 7 0 h ，d m 2 7 0 b i o s 1 i b ：初始化 d m 2 7 0 目标板和c 5 4 0 9 芯片 d s p v e c t o r s a s m ：中断向量表，将中断与相应的处理程序相连 i n t e r r u p t c ，i n t e r r u p t h ：中断处理函数，中断是d s p 正常工作的灵魂 存本系统中，应用程序设计包括语音编解码程序和视频编解码程序。语音编 解码程序完成g 7 2 6 算法，这一部分将在第四章作更详细的论述。视频编解码程 序完成m p e g 4 算法，这部分将在第五章作更详细的论述。 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解码系统 3 王程序 主程序先对t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 及d m 2 7 0 进行初始化，还包括对g 7 2 6 编解码器 和m 1 ) e g 4 编解码器全局信息的初始化，即选择目标码率、数据格式、输入地址、 输出地址、数据长度等等。然后打开中断屏蔽控制寄存器( i m r ) ，允许中断请求， 进入主循环，开始接收、处理和发送数据。在接收和发送过程中不断检测接收缓 冲区，直至接收缓冲区充满时，将。帧输入数据从中取出，i 司时缓冲区计算器清 零，开始对读入的语音数据进行压缩处理，存储处理后的输出数据，等待发送； 当发送缓冲区中的数据发送完毕后，缓冲区计算器清零，并将已存储的待输出数 据填入发送缓冲区。然后继续对接收和发送缓冲区进行检测，重复上述循环过程。 f 图是主程序流程图： 图3 - 6 主程序流程图 北京邮电大学硕士研究牛学位论文一基于d s p 的实时视音频编解码系统 第四章基于d s p 的g 7 2 6 语音编解码器的设计 g 7 2 6 标准是国际电报电话咨询委员会c c i t t 于1 9 9 0 年提出的国际通用语 音编码方法。a d p c m 自适应差分脉冲编码调制是a d a p t i v ed i f f e r c n t i mp u ls e c o d em o d u l a t i o n 的缩写。g 7 2 6 语音标准主要运用a d p c m 转码方法实现6 4 k b i t s 的p c m 码流与4 0 、3 2 、2 4 、1 6 k b i t s 码流之间的转换，相当于每个语音样值用 5 、4 、3 、2 b i t 进行编码。a d p c m 是一种算法较简单的波形编码，具有良好的话 音质量和抗噪性能，在卫星通信、数字话路倍增系统中得到了广泛应用。 第一节g 7 2 6 语音编解码器算法 简单的g 7 2 6 编码器和解码器如图3 1 、图3 2 所示 图4 - 1g 7 2 6 编码器示意图 丽d p c mj 篆i n v e r s e 蜀哥哥4 蕈等 “ yil jia d l u s t m c n t 1 ： _ 鲨釜一l i _ ll 十”外 图4 - 2g 7 2 6 解码器示意图 北京邮电大学硕士研究生学位论文一一基于d s p 的实时视音频编解羁系统 1 编码器 简单的说，a d p c m 算法是在p c m 编码的基础e 引入r 预n , t j 差分的概念，仪 对实际值与预测值之间的差值进行编妈。在编码过程，用过去样点的值对当前点 进行预测，并自适应地调整预测系数值，使预测误差很小，从而在降低码率的同 时，保持了很高编码质量。g 7 2 6 是l 代制定韵自适应差分脉冲编码算法标准， 有4 种速率。在此项目中，4 种速率均实现了。 语音信号是一个非平衡的过程，为了在均匀量化时保持听觉上满意的效果， 不得不使用较多的景化比特数。因此，一类常用的压缩编码手段是降低量化每个 语音样本的比特数，同时保持相对好的语音质量。因为这类技术是针对语音波形 进行的，常称作“波形编码技术”。相对于其它分析合成方法，波形编码方法可 以获得较好的语音质量，虽然它的比特率较高。 首先将模拟信号经过f 7 l l 协议所规定的语音信号滤波器滤波，接b k i q z 频 率抽样并转换成8 h i ta 律或u 律p c m 码，然后再转换成1 4 位的线性p c m 码，这 样就得到j - g 7 2 6 编码器所使用的输入语音信号。 在g 7 2 6 标准中利用了自适应量化a p c m 的方法来解决均匀量化中遇到的困 难。所谓自适应量化是指量化间隔自适应于输入信号幅度的变化，即一个自适应 量化器的量化间隔自适应地改变，并与输入信号的幅度方差保持相匹配。在g 7 2 6 标准中，为了使量化器能适应语音、带内数据及信令等具有不同统计特性以及不 同幅度的输入信号，自适应要依赖于信号的特性自动改变自适应速度参数来控制 最阶，这一功能由最化器定标因子自适应、自适应速度控制、单频和瞬变音检测 等= ：= 个功能单元共同完成。1 ) 量化器定标因子采用了运算量小、性能好的抗扰 乘予自适应算法，其特点是能按输入信号统计特性改变量化器自适应速度。对短 时能量变化较快的语音信号用快速自适应，对短时能量变化较慢的带内数据信号 等使用慢速自适应。对于外层量化电平，w 取值都比较大，这是为r 适应浯音预 测差值信号中基音起始部分会突然增大，量阶需要很快调大，以避免量化器过载。 这种设置称为基爵补偿量化。2 ) 自适应速率控制参数值在0 l 范围内。对语音 信号，其值接近于i ：而对平稳信号，其值趋向于0 。该参数通过限幅得到，这 样，量化器从快速自适应状态向慢速自适应转变有延迟效应。对于带内调幅类数 据，这种延迟效应可以防止自适应数据过早地变慢，从而避免脉冲沿畸变过大。 北京邮电大学硕士研究生学位论文一基于d s p 的实时视音频编解码系统 3 ) 对于能量平稳的频移键控信号f s k ，量化器处在慢速自适应状态，量阶跟不 f ：变化，致使a d p c m 不能很好地传送这类带内数据信号。为，解决这一问题， ( ；7 2 6 标准采用了单频及瞬变检测器。如果是单频信号，则驱动量化器向快速白 适应转化；如果有窄带信号瞬变，强制量化器处于快速自适应状态，而不必从| ! _ _ 频率预测系数向新频率预测系数值过渡。 一个语音样本可阻近似地被它过去的样本的线性组合所预测，并且，如果被 量化和编码的是预测差值而不是实际值，在同样信号量化噪声比条件下，所需的 量化比特数就可以减少，从而达到压缩编码的目的。基于这一原理的方法称作预 测编码，当预测系数自适应地随语音信号变化时，又称自适应预测编码a p c 。g 7 2 6 的自适应预测器采用2 阶极点、6 阶零点的混合预测器，它利用当前预测值、差 值以及前几个时刻的值，对下一时刻将要输入的信号进行预测，并计算出预测值。 所有的预测系数运用简单的梯度算法被更新。 【j ；】此，详细的g 7 2 6 编码器块结构图如图3 3 所示： 图4 - 3g 7 2 6 编码器块结构图 2 解码器 g 7 2 6 是对称型编解码器，它的解码器几乎等同于编码器的反馈部分，只是 多了。个同步编码调整。同步编码是指在数字等级上实现p c m