（信号与信息处理专业论文）g729b编解码算法在dm642上的实现与优化.pdf

山东大学硕士学位论文 d s p c c s e d m a c s l c c f g e m i f b i o s 符号说明 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 数字信号处理器 c o d ec o m p o s e rs t u d i o 集成代码开发环境 扩展的直接存储器访问 c h i p s u p p o r tl i b r a r y 片级支持库 c a c h ec o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r 缓存配置寄存器 外部存储器接口 b a s i cf os y s t e m基本输入 俞出系统 c c i t tc o n s u l t a t i v ec o m m i t t e ef o ri n t e r n a t i o n a lt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n e 国际电 报电话咨询委员会 i t ui n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 i s oi n t c m a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n国际标准化组织 i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合业务数据网 a d p c m a d a p t i v ed i f f e r e n tp u l s e - c o d em o d u l a t i o n 自适应差分脉码调制 i s p pi n t e r l e a v e ds i n g l e p u l s ep e r 2 m u t a t i o n 正负号脉冲交错 l p a sl i n e a rp r e d i c t i o na n a l y s i sa n ds y n t h e s i s 线性预测分析合成 c e l pc o d e e x c i t e dl i n e a r - p r e d i c t i o n码本激励线性预测 c s a c e l p c o n j u g a t e - s t r u c t u r ea l g e b r a i c c e l p 共轭结构代数码本激励线 性预测 m a m o v i n ga v e r a g e 滑动平均 m s bm o s ts i g n i f i c a n tb i t最重要位 m s e m e a n - s q u a r e de r r o r 均方误差 l p l i n e a rp r e d i c t i o n线性预测 l s pl i n es p e c t r a lp a i r线谱对 l s fl i n es p e c 缸 a lf r e q u e n c y线谱频率 v q v e c t o rq u a n t i z a t i o n矢量量化 5 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：皇重垫日期：互塑童：茎：b 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：皇：2 盈亟导师签名： 山东大学硕士学位论文 摘要 目前通信信道和计算机网络对传输码流比特率的限制促进了语音信号低码率 编码技术的发展，许多国际组织不断的推出他们的数据压缩标准，这其中就包括 国际电信联盟( i t u t ) 推荐的g 7 2 9 系列语音编解码标准。g 7 2 9 建议采用共轭 结构一代数码本激励线性预测( c s a c e l p ) 语音编码方案，其码率为8 k b i t s ，是 该系列编码标准中最为复杂的一种。g 7 2 9a n n e xb 是g 7 2 9 的改进版本，它描述 了语音激活检测v a d 、不连续传输d t x 和舒适噪声产生器c n g 等算法。这些算法应 用于语音处理中的静音期，以进一步降低传输速率和提高信道利用率，是g 7 2 9 研究的最佳静音压缩方案。 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 是目前业界公认的性能良好的媒体处理器，它基于c 6 4 xd s p 内 核，采用两级缓存，提供了包括视频音频输入输出接口、以太网接口等丰富的 外设接口，不仅能使用户方便的对音频视频等复杂的运算进行高速的处理，还能 方便的为音频视频编解码器件和以太网p c i 总线等数据传送接口提供无缝连接。 因此，利用嵌入式处理芯片d m 6 4 2 为核心处理器来实现静音压缩算法g 7 2 9 b 不失 为一种有效的语音编解码实现途径。 论文中详细分析了g 7 2 9 编解码器的原理和g 7 2 9 b 中的各项关键技术，介绍 了硬件平台尤其是其核心芯片t m s 3 2 0 d m 6 4 2 和t l v 3 2 0 a i c 2 3 b 的结构特点。在保证 合成语音质量的前提下，对g 7 2 9 b 算法进行改进和精简，并将修改后的代码移植 到d s pt m s 3 2 0 d m 6 4 2 上，进行c 语言和汇编两级代码优化工作，最后在d s p 系统 上实时实现了语音的编解码功能。通过与原始语音作比较，编解码后输出的重构 语音在可懂度、清晰度和自然度方面都很好，质量没有发生明显的变化：而且重 构语音和原始语音的波形包络也没有出现严重的失真，频谱基本吻合。 本课题软、硬件结合进行试验，不仅对g 7 2 9 b 编解码算法进行优化，而且在 d m 6 4 2 应用系统中实时实现，为其产品化奠定了基础，如i p 电话和h 3 2 3 网上多 媒体通信系统等。 本课题做的具体工作有以下几方面： 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 熟悉硬件开发平台s e e d v p m 6 4 2 尤其是d m 6 4 2 的结构和工作原理，了解 多通道语音串口( m c a s p ) 和编解码芯片( t l v 3 2 0 a i c 2 3 b ) 的功能及应用： ( 2 ) 了解系统的软件开发平台，尤其是掌握集成开发环境c o s 的使用； ( 3 ) 学习了语音处理的基本知识尤其是语音编码技术及发展，并深入研究了 g 7 2 9 g 7 2 9 b 语音编解码算法的基本原理； ( 4 ) p c 平台上调试验证g 7 2 9 b 代码的正确性并将其移植到t m s 3 2 0 d m 6 4 2 平台上； ( 5 ) 分别在d m 6 4 2 硬件平台上( e m u i a t o r ) 和软件环境下( s i m u l a t o r ) 对i t u - t g 7 2 9 b 进行了优化并最终实时实现语音编解码算法。 2 关键词：g 7 2 9 b ：t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；c s a c e l p ：语音编解码；代码优化 山东大学硕士学位论文 i ipp m 。l i 皇置置e 皇| 曙皇一 a bs t r a c t l o wb i tr a t e sc o d i n go fs p e e c hi se s p e c i a l l yi m p o r t a n tf o rt h er e s t r i c t i o no f c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l sa n dn e t w o r k st ob i tr a t e st r a n s m i t t e d , s om a n yi n t e r n a t i o n a l o r g a n i z a t i o n sp u b l i s h e dt l i e i ro w ns t a n d a r d so fd a t ac o d e , i n c l u d i n gt h eg 7 2 9 ss p e e c h c o d i n gr e c o m m e n d a t i o n si s s u e db yn u - t g 7 2 9i so n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e d a l g o r i t h m s o f s p e e c hc o m p r e s s i o n , w h i c h i sb a s e do n c o n j u g a t e - s t r u c t u r e a l g e b r a i c - c o d e - e x c i t e dl i n e a r - p r e d i c t i o n ( c s - a c e l p ) ，c o d i n go fs p e e c h a t8 k b i t s a n n e xbt or r u tr e c o m m e n d a t i o ng 7 2 9d e f i n e st h ev o i c ea c t i v i t yd e t e c t i o n ( v ：l ! 、d ) ， d i s c o n t i n u o u st r a n s m i s s i o n ( d t x ) a n dc o m f o r tn o i s eg e n e r a t o r ( c n o ) a l g o r i t h m s t h e s ea l g o r i t h m sa leu s e dd u r i n gs i l e n c ep e r i o d so fs p e e c ht or e d u c er a t i oo f t r a n s m i s s i o na n di m p r o v er a t i oo fu s ci ns i g n a lc h a n n e l i t sab e s ts i l e n c ec o m p r e s s i o n s c h e m ef o rq 7 2 9 t h et m s 3 2 0 d m 6 4 2d i g i t a lm e d i ap r o c e s s o ri sc o n s i d e r e dt ow o r kw e l lf o r p e o p l ew h o 墩d s p a tp r e s e n ti ti sb a s e do nt h ec 6 4 xc p u w h i c hi sp a r to ft h ec 6 0 0 0 d s pf a m i l y t h ed m 6 4 2i n t e g r a t e san u m b e ro fp e r i p h e r a l st oa d d r e s st h ed e v e l o p m e n t o fa u d i oa n dv i d e oa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sm u l t i p l ea u d i os e r i a lp o r t ，e m a ca n ds oo n d m 6 4 2c a nn o to n l ym a k ei te a s i e rf o ru s e r st op r o c e s st h ec o m p l i c a t e da l g o r i t h m so f a u d i oa n dv i d e o ，b u ta l s oc a nm a k et h es e a m l e s sc o r m e c t i o nb e t w e e nt h ec o d e ra n d p c i sd a t ab u s s oi th a sb e c o m ea l le f f e c t i v ea p p r o a c hu s i n gd m 6 4 2t or e a l i z et h e s i l e n c ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mg 7 2 9 b t h ep a p e ra n a l y z e st h et h e o r yo fg 7 2 9s p e e c hc o d e ea n dk e yt e c h n o l o g i e so f g 7 2 9a n n e xbi nd e t a i l sa n di n t r o d u c e st h eh a r d w a r ep l a t f o r me s p e c i a l l yt h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so ft m s 3 2 0 d m 6 4 2a n dt l v 3 2 0 a i c 2 3 b u n d e rt h ec o n d i t i o no f g u a r a n t e e i n gf a v o r a b l es p e e c hq u a l i t y , i ti sn e c e s s a r yt or e d u c et h ec o d eq u a n t i t yo f r e c o m m e n d a t i o ng 7 2 9 b t h e nt h ea m e n d e dc o d ei st r a n s p l a n t e dt ot h ep l a t f o r mo fd s p t m s 3 2 0 d m 6 4 2t ob eo p t i m i z e db yw a yo fcl a n g u a g el e v e la n da s s e m b l yl e v e l f i n a l l yt h ea l g o r i t h mo fg 7 2 9a n n e xb i si m p l e m e n t e di nr e a lt i m eo nt h e 血e dd s e t h er e s u l t so fe x p e r i m e n ts h o wt h a tt h ed e c o d e ds p e e c hs i g n a l sw h o s ed e f i n i t i o na n d n a t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa r ea l lg o o db yt h em e t h o do fs u b j e c t i v ea u d i t i o n ，a n di t s r e c o n s t r u c t e dw a v es h a p ea n df r e q u e n c ys p e c t r u ma r es i m i l a rt ot h eo r i g i n a lo n e s 3 山东大学硕士学位论文 m sr e s e a r c hh a sb e e nd o n et h r o u g he m u l a t o ra n ds i m u l a t o r i nt h i sp a p e rin o t o n l yh a v ed o n eo p t i m i z a t i o n st ot h eg 7 2 9 ba l g o r i t h m , b u ta l s oh a v er e a l i z e di ti nt h e d m 6 4 2a p p l i c a t i o ns y s t e m , w h i c hl a y saf o u n d a t i o nf o rg 7 2 9 bt ob ep r o d u c t i o n i z o d , s u c h 舔t h ei pt e l e p h o n ea n dh 3 2 3m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o ns y s t 锄出 i nt h er e s e a r c hp r o c e s s ，t h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nd o n e ： ( 1 ) t h ea r c h i t e c t u r eo ft h eh a r d w a r ep l a t f o r ms e e d m 6 4 2e s p e c i a l l yt h e d m “2c h i ph a sb e e nl e a r n e d , t h e nt h ef u n c t i o n sa n da p p l i c a t i o n so fm c a s p ( m u l t i c h a n n e la u d i os e r i a lp o r t ) a n da u d i oc o d e ct 【3 2 0 a i c 2 3 bh a v ea l s ob e e n s t u d i e d ( 2 ) h a v eb e e nf a m i l i a rw i t ht h es o f t w a r ep l a t f o r mo fs y s t 锄e s p e c i a l l yt h ec o d e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t t h a ti sc c s ( 3 ) t h ek n o w l e d g ea b o u ts p e e c hc o d i n ga n dt h et h e o r yo fa l g o r i t h mq 7 2 9 g 7 2 9 b h a v eb e e nr e s e a r c h e d ( 4 ) 1 1 1 ew o r kt ot e s tt h es o u r c ec o d eo fg 7 2 9 ba n dt r a n s p l a n ti tt od s p h a v eb e e n d o n e ( 5 ) t h es o u r c ec o d eh a sb e e no p t i m i z e db yw a yo fe m u l a t o ra n ds i m u l a t o ra n d f i n a l l yb e e ni m p l e m e n t e di nr e a lt i m eo nt h ef i x e dd s p k e y w o r d s ：g 7 2 9 b ；t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ；c s - a c e l p ；c o d i n go fs p e e c h ；c o d e o p t i m i z a t i o n 4 山东大学硕士学位论文 1 1 语音编码技术概述 1 1 1 语音编码发展新动向 第一章绪论 为了使同样的信道容量能传输更多路的语音信号和节省存储空间，语音编码 技术在数字语音通信n 佃中越来越受重视。语音编码研究有两大分支：波形编码和 参数编码，但由于两者存在的弊端，目前常采用混合编码方案，以保证较高的可 懂度和较低的压缩率。现阶段的语音编码伫1 研究主要集中于以码激励线性预测 ( c e l p ) 为核心的线性预测分析合成( l p a s ) 编码方面。在4 8 k b p s 一1 6 k b p s 的码率范 围内较成功的语音编码方案都基于c e l p 技术口1 ，例如g 7 2 9 标准及g 7 2 3 1 标准 等。这些编码方案的主要不同点在于激励源码本的构造和搜索方法。 语音编码今后的研究重点将逐步转向更低码率的编码方法。然而，在更低的 码率下，由于c e l p 能用于激励源的编码比特数过少，合成语音质量下降较快。随 着研究的深入，语音编码的研究也引入了新的分析技术，例如非线性预测、小波 分析技术以及高阶统计分析技术等预计这些技术更能挖掘人耳听觉掩蔽h 1 等感知 机理，更能以类似人耳的特性作语音的分析与合成，使语音编码系统更接近于人 类听觉器官的处理方式工作，从而在低码率语音编码哺1 的研究上取得突破。 从目前的研究现状来看，它的未来发展将表现如下几个方面：研究简化算 法；寻找最佳的语音激励模型；进一步降低编码码牢等等。总之，语音编码研究 将会向着高性能、低复杂度和实用化的方向发展。 1 2 2 语音编码标准发展 数字化的到来和用户的迫切需要促使有关国际组织制定了一系列有关语音编 码的标准呻1 。国际电报电话咨询委员会( c c i t t ) 和国际标准化组织( i s o ) 等首先在 1 9 7 2 年制定了g 7 1 16 4 k b s ，u ( a ) 律p c m 编码标准，两种编码器的信号都用8 b i t 表示；1 9 8 4 年又对3 2 k b s 自适应差值脉冲编码( a d p c m ) 跚作了标准化，称为g 7 2 1 。 6 山东大学硕士学位论文 以上两个标准适用于2 0 0 h z 至3 4 k h z 窄带语音信号。已用于公共电话网。c c i t t 制定的g 7 2 2 编码标准，是针对宽带音频( 5 0 h z 一7 k h z ) 信号的，其数据率为6 4 k b s ， 可用于综合业务数据网( i s d n ) 的b 通道上传输音频数据。c c i t t 于1 9 9 0 年通过了 1 6 k b s 4 0 k b s 自适应差分脉码调制( a d p c m ) 标准g 7 2 7 。在1 6 k b s 低时延码激励 ( l d - c e l p ) 编码方案的基础上，c c i t t 在1 9 9 2 年和1 9 9 3 年分别公布了浮点和定点 算法的g 7 2 8 标准，该算法时延小于2 m s 。 国际电信联盟( i t u ) 1 9 9 6 年公布了g 7 2 9 标准，采用共轭结构一代数码激励线 性预测( c s a c e l p ) 技术，数据传输速率为8 k b s ，算法延迟为1 5 m s ，它提供的语 音质量可以满足网络通信的要求。g 7 2 3 1 是i t u 推出的面向多媒体通信的低码率 语音编码标准，它最初是为可视电话而设计的，有5 3 k b s 和6 3 k b s 两种传输 速率，分别采用代数码本激励( a c e l p ) 和多脉冲最大似然量化( 肝一m l q ) 技术，算法 延迟为3 7 5 m s 。与g 7 2 9 相比，g 7 2 3 1 又进一步降低了传输速率，但它的音质 也有所下降。 r p e - l t p 编码器的数据传输速率为1 3 k b i t s ，是欧洲数字移动通信g s m 在 1 9 8 7 年为全欧洲数字蜂窝电话而制定的标准化。8 5 k b i t sq c e l p 编码器是北美 蜂窝电话工业组织为北美数字蜂窝电话而标准化的。日本的数字移动通信标准是 6 7 k b s 的矢量和激励线性预测。 目前比较成熟的高保真立体声宽带音频编码标准有“m p e g 音频”和“a c 一3 系 统”。- i p e g 是i s o i i e c 所属的w g i i 工作组负责制定的有关活动图像、音频及其组 合的编码标准。己公布和正在讨论的标准有肝e g 1 船e g 一2 m p e g 一4 和b l p e g 一7 。 a c 一3 是美国d o l b y 公司开发的新一代高保真立体声音频编码系统，提供的数据传 输速率可以从3 2 k b s 到6 4 0 k b s 。 1 2d s p 芯片的发展与应用 在d s p 芯片出现之前，实时信号处理一般是在通用处理器( 8 0 8 6 和8 0 2 8 6 等) 中完成的。随着集成电路制造工艺的不断提高，2 0 世纪7 0 年代末出现了专门的可 编程数字信号处理器阳1 ，简称d s p 。美国t i 公司给d s p 引入了许多通用计算机微 处理器的特点，并为其产品开发了汇编语言和c 语言代码产生工具以及各种软硬 7 山东大学硕士学位论文 件调试工具，从而大大降低了d s p 的开发难度，促进了它的快速发展。 随着d s p 芯片性价比和运算能力的不断提高，d s p 芯片已经在通信与信息系统、 信号与信息处理、自动控制、雷达、军事、航空航天、医疗和家用电器等许多领 域得到广泛的应用。目前，d s p 芯片的主要供应商包括美国德州仪器公司( t e x a s i n s t r u m e n t ，t i ) 、a d 公司、朗讯公司和m o t o r o l a 公司等。其中尤以t i 公司生产 的一系列d s p 芯片应用最为广泛。 考虑到d s p 运算速度快但接口能力差的情况，一种新型的d s p 芯片一媒体处 理器( m e d i ap r o c e s s o r ) 应运而生，并很快得到业界的广泛关注。媒体处理器继承 了通用d s p 芯片的特点，针对多媒体应用扩充了各种接口功能，优化了中央处理 器结构。飞利浦、a d i ，t i 等半导体供应商都十分看好媒体处理器市场，并推出了 具有竞争力的产品，例如t i 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 、飞利浦的t r i m e d i a 和e q u a t o r 的m a p c a ，它们集成了丰富的多媒体信号接口，针对多媒体信号的特点优化了处理 器结构，缓解通用处理器的压力。迄今，d s p 处理器已有c 2 0 0 0 系列、c 5 0 0 0 系列 和c 6 0 0 0 系列的产品，分别用于不同的场合。本课题所用d s p 处理器属于c 6 0 0 0 系列的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 。 1 3 课题意义及论文内容安排 1 3 1 课题的研究意义 随着互联网络的发展，基于网络的多媒体通信越来越引起人们的关注，频率 资源也变得愈加宝贵。多媒体通信的基础是语音通信阻1 ，因此如何在保证语音质量 的前提下用尽可能少的比特数来对语音信号进行编码己经越来越受到重视。到目 前为止国际电信联盟电信组( i t u - - t ) 创立了g 7 1 l ，g 7 2 3 ，g 7 2 9 等多个语音 编码的标准，其中g 7 2 9 建议n 们是共轭结构代数码激励线性预测( c s a c e l p ) 语 音编码方案，速率为8 k b p s 。g 7 2 9 a 是它的简化版本，复杂度降低一半，但在有 三阶段代码转换和背景噪声的情况下性能稍微有所下降。而附件b ( a n n e xb ) 是为 建议v 7 0 一致而研究的g 7 2 9 最佳静音压缩方案。该语音编码标准描述了语音 激活检测v a d 、不连续传输d t x 和舒适噪音产牛器c n g 的算法，这些算法应用于语 音中的静音期间，以进一步降低传输速率和提高信道利用率n 。g 7 2 9 b 标准具有广 山东大学硕士学位论文 泛的应用前景，典型的应用包括i p 电话、无线通信、数字卫星系统和数字专用线 路等。 。 语音信号数字处理算法n 2 1 的日益复杂对系统的硬件环境要求也越来越高， g 7 2 9 b 也由于计算复杂度高和存储量大的缺陷，无法实时实现或实际应用。随着计 算机技术和超大规模集成电路工艺的发展，d s p 芯片性能价格比不断提高，作为 d s p 家族高性价比代表的3 2 位定点d s p 芯片即t m s 3 2 0 d m 6 4 2 适用于语音通信、视 频通信等实时嵌入应用场合。所以本课题研究目的就是要借助最新推出的d m 6 4 2 芯片的强大处理能力来实时实现g 7 2 9 b 编解码器。这将大大有利于多媒体信息的 处理与通信。 1 3 2 论文内容安排 本论文主要完成的工作就是g 7 2 9 b 编解码器在t m s 3 2 0 d m 6 4 2 上的实现与优 化，论文章节安排如下： 第一章绪论 第二章多媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 第三章g 7 2 9 g 7 2 9 b 编解码原理 第四章g 7 2 9 b 算法在d s p 上的代码优化 第五章g 7 2 9 b 实时实现的硬件平台 第六章总结与展望 论文流程及所做具体工作如图1 1 所示： 9 1 0 山东大学硕士学位论文 图1 1 论文所做工作流程 山东大学硕士学位论文 第二章多媒体处理器t m s 3 2 0 d m 6 4 2 随着多媒体应用需求越来越大，市场上对专门用于多媒体处理的d s p 处理器 的需求也越来越多，从而推动了高性能多媒体处理芯片的发展。基于此，t i 公司 于2 0 0 2 年推出了一款专门为数字媒体应用而设计开发的3 2 位定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ( 以下简称为d m 6 4 2 ) n 3 m 舯1 。其功能框图如图2 1 所示，本章将简要 介绍一下d m 6 4 2 的芯片性能特点与硬件结构。 匝画 一 l j p 榔s a p , a m | | d 黼控制器l内部d a r a ml i i c l v i c k 令 多总龛结构 令 卜 斌丽 ip c i - - 6 6 h p i 一1 3 2 卜j奉t - 一f l a s h vt i v p o im c a s ph睦序控制单剂k 址产生单元|敞据计算单剂 q 黾面 r 一7 i v p i i i c a s pk 千千千 州s d r a m l 指令执行单元 l 、，l - - - - - - - - - - 一 n m ， 图2 1d m 6 4 2 功能框图 2 1d m 6 4 2 多媒体处理器的性能特点 d m 6 4 2 是美国德州仪器公司( t i ) 推出的一款面向数字多媒体技术应用的d s p ， 它在t i 的c 6 4 x 内核的基础上进一步完备的集成了视频音频输入输出接口、以 太网接口、p c i - 6 6 总线等片上外设，不仅能使用户方便的对音频视频等复杂的运 算进行高速的处理，还能方便的为音频视频编解码器件和以太网p c i 总线等数据 传送接口提供无缝连接。非常适用于v o i p 、数字视频服务器、多通道数字视频录 像机( d v r ) 、多通道数字视频监控等应用。 d m 6 4 2 的程序总线宽度为2 5 6 b i t ，一次取值操作可以读取8 条指令，并且片 内集成的8 个功能单元能够独立的进行指令译码和执行，二者一起形成了d m 6 4 2 的8 条流水线处理机制【1 4 】。8 个功能单元中有2 个乘法器，每个乘法器在1 个时钟 周期内可以执行2 个1 6 x1 6 b i t 或4 个8 8 b i t 的乘法操作，因此d m 6 4 2 在每个时 山东大学硕士学位论文 钟周期内可以执行4 个1 6 x1 6 b i t 的乘法或8 个8 x 8 b i t 的乘法操作。其余6 个功 能单元是算术逻辑单元，能在每个时钟周期内执行2 个1 6 位或4 个8 位的加减、 比较、移位等运算。在6 0 0 m h z 的时钟频率下，d m 6 4 2 每秒最多可以进行2 4 亿 次1 6 位的乘累加或4 8 亿次8 位的乘累加操作。强大的运算能力使d m 6 4 2 可以同 时进行多路高质量的视频处理。d m 6 4 2 系列可以在最高7 2 0 m h z 的时钟频率下工 作，处理能力最高达到5 7 6 0 m i p s ，所以随着频率的增加d m 6 4 2 的性能也会随之 大幅度提高。 2 2d m 6 4 2 多媒体处理器的硬件结构 2 2 1d m 6 4 2 的c p u 单元 i n s t r u c t i o nd i s p a t c h a d v a n c e di 啉仃u c i j o np a c k e t a r e g i s t e rf i r e i a 3 1 _ a 1 6 l i a 15 _ 胡由 l b r e g i s t e rf i l e 广1 甄仁酹n l b 1 s - b 0 i 图2 2d m 6 4 2 的c p u 结构图 如图2 2 所示，d m 6 4 2 的c p u n 5 1 的组成部分包括：两个通用寄存器组( a 和b ，各 3 2 个3 2b i t 通用寄存器) ；8 个功能单元( l 1 ，l 2 ，s 1 ，s 2 ，m 1 ，m 2 ，d l ，d 2 ) ，执 行逻辑、位移、乘法、加法和数据寻址等操作，除了取指令和存指令外，所有指 令均对寄存器产生影响，数据寻址单元( d 1 和d 2 ) 专门负责寄存器组与存储器之 间的数据传递；从内存读数据的数据通道( l d l 和l d 2 ) ；两个写内存的数据通道( s t l 和s t 2 ) ：两个数据地址通道( d a l 和d a 2 ) ；两个寄存器组数据交叉通道( 1 x 和2 x ) 。 d m 6 4 2 的c p u 最丰要的特点是在体系结构上采用了甚长指令字( v l i w ，v e r y 1 2 鲨l ： m一一一一 一一 山东大学硕士学位论文 l o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结构。在t i 的v l i w 体系结构中由一个超长的机器指令字 来驱动内部的8 个功能单元，每个指令字包含了8 个字段( 指令) ，字段之间相互独 立，各自控制一个功能单元，因此可以在单周期内发射出多条指令，实现很高的 指令级并行效率，最多可以在单周期内同时执行8 条指令。同时d m 6 4 2 的c p u 内核的 v l i w 采用了类r i s c 指令集n 们，多数指令拥有相同的流水级数，便于程序进行流水 的优化。 2 3 2d m 6 4 2 的c a c h e 结构 在d m 6 4 2 中，c a c h e 分为两级u 7 1 ，它的层次结构如图2 a m 示。c p u 和一级程序高 速缓存l i p 及一级数据高速缓存l 1 d 直接相连，两块c a c h e 分别为1 6 k b ，c p u 对l l 的 读写只需要一个时钟周期，工作在c p u 全速访问状态。二级缓存l 2 有2 5 6 k b ，供程 序和数据共用，二级缓存的分段和大小分配也有很多变化。用户可以设置 0 i ( 1 6 k 3 2 k 6 4 k 1 2 8 k 2 5 6 k 为c a c h e ，剩下的被映射为可寻址的内存，可以用作存 储流媒体数据或者中断服务程序等。 厂 片内两级缓存 、 ic 6 4 d s p 陔卜d 3 l 2 髓1 h2 5 l 6 2 髓b一片槲器 、 ， 。 2 3 3d m 6 4 2 的e d m a 图2 3d m 6 4 2l i l 2c a c h e 层次结构 d m 6 4 2 的e m d a 1 8 1 能提供超过2 g b s 的夕卜部带宽。共有6 4 个独立的e d m a 通道， 负责片内l 2 与其它外设之间的数据传输，每个通道都有一个特定的事件与之关联， 由这些事件触发相应通道的传输，e d m a 可以在没有c p u 参与的情况下完成映射存储 空间中的数据搬移，极大地提高了系统的并行性。两级缓存结构和e d m a 单元结合 使用更适合于需处理大量数据的音视频和图像应用，使d s p 运算单元能高速运行。 山东大学硕士学位论文 2 3 4d m 6 4 2 的外设 d m 6 4 2 还配有大量外围设备和接口，包括： ( 1 ) 3 个可配置的视频口( v p ) ( 2 ) v c x 0 内插控制端口( v i c ) ( 3 ) 2 个多通道缓冲串行口( m c b s p ) ( 4 ) 1 个多通道音频串行口( m c a s p ) ( 5 ) 3 个3 2 位的定时器 ( 6 ) 3 2 位6 6 m t t z 的p c i 接口 ( 7 ) i o i o o m 以太网 1 4 山东大学硕士学位论文 第三章g 7 2 9 g 7 2 9 b 编解码原理 3 1g 7 2 9 语音编解码器 g 7 2 9 是国际电信联盟于1 9 9 6 年制定的语音编码标准，全称是“使用共轭 结构代数码本激励线性预测的8kb i t s 语音编码一。g 7 2 9 n 町是对8 k h z 采样 1 6 b i t 量化的线性p c m 语音信号进行编码，压缩后数据速率为8 k b p s ，具有1 6 ：1 的高 压缩率。到现在已经有了好几种改良的版本：g 7 2 9 a 、g 7 2 9 b 、g 7 2 9 c 、g 7 2 9 d 、 g 7 2 9 e 、g 7 2 9 f 、g 7 2 9 g 等，各种版本技术背后的基本原理是相同的。 由于其在线性预测参数量化上，使用分裂式矢量量化啪】；在自适应码本搜 索上，采用开环、闭环相结合，分数延时码矢量搜索；固定码本采用具有特殊结 构的代数码本；激励序列的增益，采用了预测式矢量量化，g 7 2 9 获得了较 高的语音合成质量和较低的语音算法复杂度。因此，g 7 2 9 被广泛地应用在数据通 信的各个领域，如i p 电话和h 3 2 3 网上多媒体通信系统等。 3 1 1g 7 2 9 编码器原理 在编码端，首先对输入的模拟语音信号进行电话带宽滤波，然后以8k h z 的 频率对其进行采样。再将其转换为1 6b i t 线性p c m 码，作为编码器的输入。编码 器以帧为单位处理语音，1 帧为1 0 m s ，包括8 0 个语音样本。编码器对每一帧输入 语音信号进行分析，提取其中的c e l p 模型的参数，对这些参数进行编码和传输。 7 图3 1 为其原理图。 山东大学硕士学位论文 图3 1g 7 2 9 编码器原理 编码的过程大致可以分为以下几个步骤： ( 1 ) 预处理 预处理就是要完成高通滤波及信号定标两个功能。其中，高通滤波是为了不 让低频分量出现；而信号定标是为了防止在定点运算中发生溢出，具体实现就是 将输入样点值除以2 ，并通过一个截止频率为1 4 0 h z 的高通滤波器。其中滤波器系 数为： 一0 4 6 3 6 3 7 18 0 9 2 7 2 4 7 0 5 z 一。+ 0 4 6 3 6 3 718 z ，n - ，= i 一 上， 。 1 1 9 0 5 9 4 6 5 z 一1 + 0 911 4 0 2 4 z 一2 ( 2 ) 线性预测分析 编码器对每l o m s 的信号帧进行一次线性预测( l p ) 分析，计算l p 滤波器的系 数，再把系数转换为线谱对( l s p ) 1 并用两段1 8 b i t 矢量量化，r i l p ( 线性预测) 分析、l s p ( 线谱对) 分析和v o ( 矢量量化) 技术。在g 7 2 9 中用到了四个矢量量化： 固定码本矢量量化、自适应码本矢量量化、线谱对的两基矢量量化和两阶共扼结 构增益矢量量化。 线性预测分析首先对信号进行加线性预测分析窗，计算窗e 1 内语音信号自相 关系数，然后由莱文森一杜宾算法求得线性预测滤波器系数a i ，i = 1 ，1 0 。分析 窗由两部分组成：第一部分是半个汉明窗，第二部分是四分之一个余弦信号。 由于线谱对参数l s p ( l i n es p e c t r ap a i r s ) 比线性预测( l p ) 系数具有更好的内插 1 6 山东大学硕士学位论文 特性和量化特性，因此需要将l p 系数转换为相应的l s p 系数。为了提高量化精 度，采用4 阶滑动平均预测器来预测当前帧的线谱预测频率，然后再对线谱预测频 率的计算值和预测值之差进行两级矢量量化嗍，将此4 阶滑动平均预测器的索引值 记为l o ( 1 b i t ) 。第一级矢量量化是1 0 维的，其码本c l 含有1 2 8 个矢量( 7 b i t s ) ， 索引值记为e l ：第二级是l o b i t 矢量量化，使用了两个5 维的码本c 2 和c 3 ，含有3 2 个矢量( 5 b i t s ) ，索引值记为l 2 ，l 3 。为了提高量化精度，采用4 阶滑动平均预测 器来保证最小加权均方误差， ( 3 ) 知觉加权 以i 主i l p c 系数构成的合成滤波器生成的重构信号，与原始语音信号相减得到的 残差信号极小为原则，由知觉加权滤波器处理，根据人耳听觉感受调整语音频谱， 起到反馈控制回路和确定激励信号及增益的目的。知觉加权的量是以保证输入信 号具有平缓的频率响应而作自适应调整的。 ( 4 ) 开环基音分析 为了减少自适应码本搜索的计算量，需要计算开环基音周期t o p ，自适应码本 搜索围