（计算机系统结构专业论文）基于可重构技术的声码器研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕十学何论文 摘要 随着网络技术和通信技术的发展，v o l p 技术逐渐成为语音通信的热门研 究领域。i l b c 作为专为窄带语音通信而设计v o l p 声码器，采用了帧独立线 性预测技术和包丢失掩蔽技术，可以在丢包率较高的网络环境中保持良好的 语音通话质量，具有广泛的应用前景。 本文在对i l b c 声码器编码和解码算法进行研究的基础上，提出了一种 基于可重构技术的声码器s o c 实现方案，该方案与基于d s p 处理器平台的实 现方案相比，具有开发周期短、体系结构灵活和易于升级等优点。 在对i l b c 语音编解码算法中的自相关系数求解函数进行理论分析和定 量分析的基础上，设计了自相关系数求解算法的定点计算模型，并用v h d l 语言对定点模型进行了功能描述，生成串行计算模型。通过仿真实验表明该 模型可以保证i l b c 语音编解码算法的正确性，并能够保证算法的实时和精 度要求。但是，自相关系数串行计算模型在执行求解运算时需要对存储器进 行大量的访存操作，从而降低了计算模型的整体性能。 本文针对串行计算模型的不足对定点模型进行了并行化体系结构设计， 该设计能够有效利用每次访问存储器所得的数据，将访存次数减少为串行计 算模型的5 左右。自相关系数定点串行计算模型和并行计算模型在以 m i c r o b l a z e 为嵌入式处理器的s o c 平台上完成了功能和时序验证。 声码器的s o c 实现方案最终在基于f p g a 的可重构计算平台上实现，结 果表明该方案可以有效减少i l b c 声码器的嵌入式系统实现时间，而且自相 关系数并行计算模型有效地提高了系统的计算性能。 关键词：可重构计算；声码器；i l b c ：自相关计算；f p g a 哈尔滨下程大学硕十学何论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fi n t e r a c ta n dc o m m u n i c a t i o n ，v o l p t e c h n i q u ei sb e c o m i n gt oah o tr e s e a r c h i n gd o m a i n i l b cs p e e c hc o d e cw a s e s p e c i a l l yd e s i g n e df o rn a l t o wb a n ds p e e c h t h et e c h n i q u eo ff l a m e - i n d e p e n d e n t l o n g - t e r mp r e d i c t i v ec o d i n ga n dp a c k e tl o s sc o n c e a l m e n ti sa d o p t e di nt h ec o d e c t h ec o d e ce n a b l e sg r a c e f u ls p e e c hq u a l i t yd e g r a d a t i o ni nt h ec a s eo fl o s tf l a m e s ， w h i c ho c c u r si nc o n n e c t i o nw i t hl o s to rd e l a y e di pp a c k e t s t h ea d v a n t a g e so ft h e c o d e cm a k ei tm o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d b ys t u d y i n gt h ei l b cs p e e c hc o d e ca n s ica l g o r i t h m ，as o cs o l u t i o nb a s e d o nr e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n gt e c h n i q u ew a sd e s i g n e d ，w h i c hi se a s i e rf o r d e v e l o p m e n t ，m o r ef l e x i b l ea n de a s i e rt ob eu p d a t e dc o m p a r e dw i mt h ed s p p r o c e s s o rb a s e ds o l u t i o n b ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o no f a u t o c o r r e l a t i o nc o m p u t a t i o ni nt h ei l b cs p e e c h c o d e c ，af l o a tp o i n tm o d e lo ft h ef u n c t i o nw a se s t a b l i s h e df i r s ta n dt h e naf i x e d p o i n tm o d e lw a sg e n e r a t e dw h i c hw a sv e r i f i e di nt h ee m u l a t i o nm o d e ld e s c r i b e d b yv h d l h o w e v e r , t h eo p e r a t i o no ff e t c hd a t af r o mm e m o r yc o s tt o om u c ht i m e ， a n db e c a u s eo fw h i c ht h ew h o l ep e r f o r m a n c eo ft h em o d e li ss e v e r e l yd e c l i n e d a p a r a l l e li m p l e m e n t a t i o no ft h ef i x e dp o i n tm o d e lw a sc r e a t e dt oa v o i dt h e d i s a d v a n t a g eo ft h es e r i a li m p l e m e n t a t i o n ，w h i c hd e c r e a s e st h en e e do ff e t c h i n g o p e r a t i o nt of i v ep e r c e n to fs e r i a li m p l e m e n t a t i o no ff i x e dp o i n tm o d e l as o c s o l u t i o nw i t hm i c r o b l a z ea st h ee m b e d d e dp r o c e s s o rw a se s t a b l i s h e dt ov e r i f y b o t h o ft h es e r i a la n dp a r a l l e li m p l e m e n t a t i o n so ft h ef i x e dm o d e l t h es y s t e mo fi l b c s p e e c hc o d e ci si m p l e m e n t e do nr e c o n f i g u r a b l e c o m p u t i n gp l a t f o r mb a s e do nf p g a a n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ti m p l yt h a t t h es o cs o l u t i o np r o p o s e di nt h et h e s i si sm o r ee f f i c i e n tt h a nd s pb a s e ds o l u t i o n s k e y w o r d s ：r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g ；s p e e c hc o d e c ；i l b c ；a u t o c o r r e l a t i o n c o m p u t a t i o n ；f p g a 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：支j 衔 日期： 2 - 9l 7 年岁月7 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：刘铭 日期： 口卵年弓月 日 导师( 签字) ：庐彳函强f 撕罗年 月1 7e t 哈尔滨r 程大学硕七学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着现代电子制造业和信息技术产业的快速发展，可编程逻辑器件 ( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 由于具有配置的灵活性和设计的高效性而在信 息计算领域中得到了广泛的应用，它大致经历了从p r o m 、p l a 、p a l 、g a l 、 e p l d 到f p g a 和c p l d 的发展过程川。现场可编程门阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 作为可编程逻辑器件的一个分支，它的出 现给嵌入式系统设计带来了革命性的变化。 现场可编程门阵列( f p g a ) 是基于可编程且互相连接的可配置模块 ( c l b ) 矩阵的可编程半导体器件，具有结构灵活、集成度高、设计开发周 期短、制造成本低等优点，被广泛应用于航天和军用、汽车、通信、工业、 科学和医疗等诸多方面。随着f p g a 向更高密度、更大容量、更低功耗和集 成更多i p 核的方向发展，借助于高级图形化的编程软件和可配置i p 核开发 设计大型复杂的数字信号处理系统成为众多公司的首选设计方案。 s o p c ( s y s t e m o nap r o g r a m m a b l ec h i p ) 是以p l d 可编程逻辑器件代替 专用集成电路a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci c ) 的一个种更加灵活、高效的s o c ( s y s t e m o nc h i p ) 解决方案。s o p c 从系统级的角度出发，将理论模型算法、 处理器架构、存储系统、外设集成于一个或少数几个芯片中，由于采用软硬 件同步协调的设计模式，与传统的i c 系统设计相比，往往具有更高的系统性 能。s o p c 系统借助于p l c 可编程逻辑器件和各种已有的i p 核资源，可以轻 松地完成对已有系统的裁减、扩充、升级和软硬件在系统编程瞄j 。 可重构计算( r e c o n f i g u r a b l ec o m p u t i n g ) 技术是指在软件的控制下根据 系统应用的需要，利用系统中的可重用逻辑资源( 如f p g a 、c p l d 等可编 程逻辑器件) 构建新的计算平台，从而获得更高的计算效率和其它功能。可 哈尔滨下程大学硕士学位论文 重构计算是主要依赖于可重构逻辑器件和可重构技术的进步而发展起来的一 种计算模式，它可以避免传统a s i c 计算模式设计制造过程中的高代价和不 可重用等缺陷，同时可以为系统提供更高的灵活性和计算性能。 数字信号处理是当代电子工业增长最快的领域之一，应用涵盖了图像处 理、仪器控制、语音音频、军用、电信、生物医学、多媒体等诸多方面。 v o l p ( v o i c eo v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 正在成为企业和家庭的热门应用领域，如 何在复杂的网络环境中保持良好的语音质量是网络电话的主要问题之一。 i l b c ( i n t e m e tl o wb i t r a t ec o d e c ) 语音编码器专为窄带通信而设计，由于采 用了帧独立长期预测技术【3 】和丢包掩蔽( p l c ) 技术【4 】 艮好地解决了网络语音 质量传输问题。但是完成i l b c 声码器从浮点到定点的转换大约需要4 6 人月， 定点算法到d s p 处理器的移植大约需要3 - 4 人月，为了获得完整的系统性能 将需要更多的工作量【5 】。依赖于d s p 处理器的i l b c 系统设计具有硬件资源 有限、开发难度高和开发周期长等缺点，难以满足集成度高、可重用和快速 市场化的多媒体应用需求。因此通过研究i l b c 编解码算法，提出一种快速 高效的嵌入式i l b c 语音系统设计方法具有重要现实意义和应用价值。 本文提出了一种基于f p g a 的动态可重构语音编码器设计方法，采用片 上系统( s o c ) 和可重构计算的设计思想，实现i l b c 声码器设计与验证，对 声码器的基本原理和相关算法进行研究，并根据f p g a 实验平台的技术特性 进行并行化设计，生成自定义i p 核，提高了声码器的运算效率，缩短了i l b c 声码器向嵌入式平台移植的开发周期，最后本文对算法的设计和性能进行了 测试和分析。 1 2 国内外研究现状 1 2 1可重构计算的研究与进展 国外对f p g a 的生产和研究一直处于主导地位，当前可编程逻辑器件的 市场被美国的x i l i n x 和a l t e r a 公司所垄断，其它一些有竞争力的公司包括、 2 堕签鎏! 塑盔堂堕堂垡笙塞 l a t t i c e 、a c t e l 、a t m e l 、a m d 、a t & t 、c y p r e s s 、i n t e l 、m o t o r o l a 等【6 1 。自从 x i l i n x 于1 9 8 5 年推出第一款f p g a 以来，f p g a 从最初的1 2 0 0 个可利用门 发展到现在的上百万门级。目前s o c 和可重构计算逐渐成为f p g a 系统设计 的主要研究热点，同时f p g a 芯片的生产制造正在向高密度、高可靠、低电 压、低功耗方向挺进。 可重构计算的概念由g e r a l de s t r i n 于1 9 世纪6 0 年代提出【7 堋，但是当时 电子技术的发展不能满足可重构计算的基本要求。随着电子技术的不断进步， 到了1 9 世纪8 0 9 0 年代，可重构计算理论又有了新的发展，许多公司和学术 机构也设计出了新的可重构体系结构如：m a t r i x 、g a r p 、e l i x e n t 、p a c tx p p 、 s i l i c o nh i v e 、m o n t i u m 、p l e i a d e s 、m o r p h o s y s 、p i c o g a 等。p a c tx p p 体系结 构由粗粒度层次化阵列、自适应计算单元和基于包交换的通信网络组成，该 结构允许动态部分可重构计算并且支持流水线级、指令级、数据流级和任务 级并行操作 9 1 。b e r k e l e y 大学的j o h nr h a u s e r 和j o h nw a w r z y n e k 也提出了 一种被称为g a r p 的体系结构，将标准的m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) 处理器与可重构硬件组合到同一模型中，对一些常用的计算获得了从2 倍到 2 4 倍的加速比【1 0 】。1 9 9 1 年世界上诞生了第一台商用可重构计算机a l g o t r o n i x c h s 2 x 4 。后来a l g o t r o n i x 机构被x i l i n x 收购，并发明了f p g a 。现在各大公 司正在积极从事商用高性能可重构计算机的研发，其中包括c r a y 、s g i 、s r c c o m p u t e r s 等。这些公司开发的可重构计算机大多属于包括微处理器的e s t r i n 网格计算机，可以与传统的c p u 集群或用户自定义的f p g a 结合进行网格计 算。 目前，国内对于可重构计算的研究还处于起步阶段，从事研究的主要学 术机构有中科院计算技术研究所、中国科技大学、上海复旦大学、浙江大学、 湖南大学、大连理工大学和苏州大学等。研究的领域包括面向动态可重构计 算的布局布线算法、基于可重构计算系统的调度算法、软硬件代码划分、可 重构计算系统的设计与实现等方面。2 0 0 5 年中科院计算技术研究所对面向生 物信息学的可重构计算进行了研究，设计了一种简单而高效的处理单元。2 0 0 7 年浙江大学以二维网络型阵列结构为研究对象对可重构计算相关技术进行了 哈尔滨一i i 程大学硕十学何论文 研究。2 0 0 8 年中国科技大学提出了一种用于可重构计算系统的底线靠局算 法。 1 2 2 声码器的研究与进展 在v o i p 的应用中，基于c e l p ( c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ) 算法 的低速率声码器占据着语音编解码算法的主导地位，如i t ug 7 2 9 和g 7 2 3 等。因为v o l p 主要应用于基于包交换的i p 网络，所以无法避免丢包、延时、 抖动等实时传输问题j ，而传统的c e l p 算法在高丢包率的网络情况下处理 效果不能尽如人意，因此在很大程度上会影响语音通话质量。 2 0 0 0 年，g l o b a li ps o u n d 公司开始研究一种更适合v o l p 应用的编解码 算法，开发出了i l b c ( i n t e r n e tl o wb i t r a t ec o d e e ) 声码器。i l b c 是一种适 合在i p 网络上进行语音通信的强健的声码器，主要为窄带语音通信而设计， 在高丢包率和延时的i p 包交换网络环境下，仍然可以保证清晰的语音效果； 在窄带应用环境中，也几乎没有语音延迟、断续或杂音，通话效果完全可以 和传统电话媲美【忆j 。 美国的m i a m i 大学和丹麦的a a l b o r g 大学对i l b c 进行了研究，实现了 速率为1 0 2 和1 2 2 k b p s 的i l b c 编解码算法，该算法能够保证原有的语音质 量，并且与1 0 2 和1 2 2k b p s 速率的a m r 编码器p e s q ( p e r c e p t u a le v a l u a t i o n o fs p e e c hq u a l i t y ) 得分相同【l 引。西班牙g r a n a d a 大学对基于i l b c 编码器的 语音识别技术进行了研究，直接将未解码的i l b c 参数转化为识别特征，实 验结果表明该方法的识别效果优于基于已解码的i l b c 语音数据语音识别系 统，并且等同于在良好或稍差传输信道环境中的分布式语音识别系统【l 训。突 尼斯的s a y a d i ，f 、a t r i ，m 、t o u r k i ，r 对g 7 2 9 算法中的自相关系数的并行 化计算进行了研究，提出一种自相关系数计算i p 核的快速原型，通过基于 f p g a 的i p 核实现针对于自相关系数的计算获得了1 0 倍的加速比i l 引。 目前国内对于i l b c 声码器的研究主要包括核心技术的研究、性能分析 以及在v o l p 中的应用三个方面。清华大学对i l b c 算法在p c 机上的实现提 4 坠笙鎏工矍盔堂堡堂焦笙塞 出了优化策略，将算法的运算时间减少了1 5 左右【l6 。电子科技大学实现 i l b c 浮点算法到定点算法的转换，并完成了基于d s p 处理器m c f 5 2 4 9 c 3 的移植【l7 1 。北京邮电大学对i l b c 浮点c 语言算法进行了研究，实现了部分 浮点c 语言算法到d s p 汇编语言的转换，并完成了基于d s p 处理器a r l 6 8 8 的移植【i s 】。 1 3 论文的主要研究内容 本论文主要研究内容由以下几个部分组成： ( 1 ) 分析i l b c 语音编解码的浮点算法，了解算法中各处理模块的基本 功能，对自相关系数计算函数中的输入、输出和变量进行定量分析，并对算 法进行定点转换，计算定点算法与浮点算法之间的误差，确保定点计算模型 的正确性； ( 2 ) 用v h d l 硬件描述语言对自相关函数计算的定点模型进行描述， 并建立仿真模型，对该模型进行功能验证，进一步分析自相关计算硬件模型 的时间复杂度，针对串行计算模型的缺点进行定点模型的并行化体系结构设 计； ( 3 ) 通过实验得出自相关系数串行计算模型和并行计算模型的性能参 数，并进行理论分析，基于f p g a 建立系统验证平台，集成自相关系数串行 计算模型和并行计算模型的i p 核，进行功能验证。 1 。4 论文的组织结构 本论文对基于可重构计算的i l b c 语音编解码算法s o c 片上系统设计的 实现过程进行了说明，重点阐述了自相关系数求解算法的定点化、串行硬件 体系结构设计和并行硬件体系结构的设计流程等内容，论文组织结构如下： 第1 章：对本课题的选题的背景、目的、意义和国内外当前的研究现状 进行了综述； 堕签鎏王矍- 人堂堕主堂垡笙塞 第2 章：对基于f p g a 的e d a 开发流程进行了简介，并对i l b c 语音编 解码算法各部分功能模块进行了分析和研究： 第3 章：在介绍在定点数与浮点数基本概念的基础上以i l b ca n s ic 浮 点算法中的自相关函数为对象，详细阐述了从浮点算法到定点算法硬件描述 的设计过程： 第4 章：对自相关系数串行计算模型进行了分析，找出了造成计算时间 复杂度较高的关键数据通路，确定了并行计算模型的设计方案。然后在理论 分析的基础上对自相关计算的基本运算单元和基本单元之间的互连进行了设 计； 第5 章：首先对d s p 与f p g a 结合的验证平台以及s o c 验证平台的性 能进行了分析，然后对自相关计算模型的i p 核的s o c 验证平台进行了设计。 6 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 第2 章可重构计算与i l b c 语音编解码过程 2 1 可重构计算 2 1 1 可重构计算平台f p g a 简介 f p g a 是指由逻辑模块( l o g i cb l o c k s ) 组成的阵列，组成阵列的逻辑块 可按粗粒度和细粒度进行分类。粗粒度的逻辑块可以是a l u 、d s p 或存储器 等资源，常见的细粒度逻辑块是查找表( l o o ku pt a b l e s ，l u t ) 。 查找表l u t 由r a m 构成，目前f p g a 中多使用4 输入的l u t ( 4 位 地址线的1 6 1 的r a m ) 。用户可以用原理图、硬件描述语言或其它方式描 述逻辑功能，f p g a 开发工具( 如x i l i n xi s e ) 会自动计算逻辑电路的输出集 合，通过查找保存输出集合的r a m 就可以得到逻辑设计的输出响应。 本文选用的x i l i n xv i r t e x i ip r o 系列f p g a 作为i l b c 声码器的设计载体。 x i l i n x 系列f p g a 的c l b ( c o m f i g u r a b l el o g i cb l o c k 可配置逻辑块) 由4 个 相同的s l i c e 和附加逻辑电路构成，其中每个“s l i c e 包含两个l u t ，c l b 结构图如图2 1 所示【l 引。 至 令b 近 模 块 的 高 速 链 接 图2 。1x i l i n x 系列f p g a 的c l b 结构图 本论文以x i l i n x 大学计划( x i l i n xu n i v e r s i t yp r o g r a m ，x u p ) v i r t e x - i ip r o 7 堕签堕工堡盔堂堡堂垡迨窒 一i i bi i i 一 开发板为最终实验平台，该平台上包含了丰富的逻辑和接口资源，包括a c 9 7 音频编解码功能模块、x s g a 视频输出接口、l o 1 0 0 以太网接口、r s 2 3 2 功 能模块和d d rs d r a m d i m m 功能模块等，能够满足各种复杂的数字信号处 理模型的设计与验证，开发板逻辑结构如图2 2 所示。 b i e r n ai ：n r e f 卜r 、 f c 9 ，d 。c 。必c & 爱啪胁p i p a a m i l lr ， 曙r 铀崩i 毒5 叫螨g v 抽o u w 5 v j ， - - 2 厚， + i 妇f l 胁 景， 叶 u s e f 9 ”缸h 口，堪 i i j k 4 rp u s hi ：u l l a ls w “：h n s1 5 ) l c p 0o 伽_ p 喇 l - 目鲥2 矿f p g a _ 一 口1 e 帅删p h y i1 嘲h z s y m c 眦li - 一r s 舶i 量p g 曩只酬- t 玎 ir 蝌蜥踟a c l 呦l - _ 一粕删 t 嘲c ” i u rc i 榔2 ) l - h l “训g q a b tt m 扼e 矾r 期t l鬻om细伍f窿h c o n 幻晡鲫吣r 吩鳓| _ - l - _ i2 q e 蚺e o d r5 0 1 u 蝴0 i u b 鲥口e _- j ，, v d li n l l o m n le x l n r d o nh 由j iu s o 盘l i j 出s 朋。dc p 棚叫r 击- nl 一一 图2 2x u pv i r t e x i ip r o 开发板逻辑结构图 2 1 2 基于f p g a 的开发流程 系统地设计f p g a 电路的目的是为了尽可能得出正确设计，能够进行生 产制造。f p g a 的一般设计流程如图2 3 所示。该流程给出了设计、验证、综 合和数字电路测试等几个主要步骤进行的次序，虽然设计流程看起来成线性 关系，但是在实际的设计过程中经常因为设计错误、设计需求改变或有不符 合设计性能要求及设计约束的情况发生而不得不重新进行流程中的多个步 骤，如此反复，直到设计满足需求的各方面要求【2 。 ( 1 ) 设计定义包括设计规范和设计划分两个部分。设计规范中定义了功 能、时序约束、面积约束、功耗、可测试性、故障覆盖率等与设计相关的所 有要求。设计划分是指把一个复杂设计逐步划分成较小而且较为简单的功能 单元的过程。一个这样的过程通常被称为自顶向下的设计方法或分层设计法。 8 哈尔滨j f 程大学硕十学位论文 ( i ) 设计定义 ( 2 ) h d l 行为建模 ( 3 ) 功能仿真 ( 4 ) 逻辑综合 ( 5 ) 前仿真 ( 6 ) 布局布线 ( 7 ) 后仿真 ( 8 ) 在系统测试 图2 3f p g a 设计流程图 ( 2 ) h d l 行为建模是设计输入中被广泛采用的主要描述方法，行为建 模是指在描述一个设计的功能特性时，仅指定逻辑电路的输入和输出模式， 而没有必要对其物理实现行为细节进行描述。 ( 3 ) 功能仿真一般可分为三步进行，包括测试方案拟定、测试平台设计 和模型验证。测试方案应指定激励发生器、响应监测器以及关于被测模型响 应的相关参考标准。测试平台设计是指将响应监测器、待测模型和响应监测 器用h d l 描述语言进行描述，功能仿真流程如图2 4 所示。模型验证指根据 测试方案进行试验，验证模型的相应功能是否正确。以上三步在功能仿真过 程中会在需要时重复进行以保证模型功能的正确性1 2 u 。 图2 4 功能仿真流程图 9 堕垄! 鎏：! ：堡盔堂堡堂垡堡塞 ( 4 ) 逻辑综合就是将高级抽象层次的描述转化为较低层次的描述方式， 逻辑综合器将被调用宏i p 模块的接口、r t l 代码、综合目标和约束约束条件 转化为低层次描述网表文件【2 2 j 。综合后形成由与门、或门、非f - j 、r a m 、触 发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，综合流程如图2 5 所示。 被调用模块的综合目标和约 接口 r t l 代码 束条件 1r1 r1r i 逻辑综合器 r1r e d i f 网表 h d l 网表 ( n e t l i s t )( n e t l i s t ) 图2 5 逻辑综合流程图 ( 5 ) 前仿真也常被称为逻辑综合后仿真，是指将r t l 代码用f p g a 库 中的元件替换后做的仿真，该仿真结果包含了器件的延时信息，前仿真流程 如图2 6 所示。 图2 6 前仿真流程图 ( 6 ) 布局布线：布局是指将逻辑网表文件中的硬件原语和底层单元合理 1 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 地配置到芯片内部的固有硬件结构上，并往往涉及到芯片面积和系统速度的 折中过程。布线根据布局的拓扑结构，利用芯片内部的连线资源合理正确地 连接各个元件，布局布线流程如图2 7 所示。 逻辑综合器 1 r 被调用模块的e d i f 网表布局布线约束 行为仿真模型( n e t l i s t )条件 1 r1 r1r l f p g a j 一家工具 1 r1r 1r h d l 网表s d f 文件 下载编程文件 ( n e t l i s t )( 标准延时格式) 图2 7 布局布线流程图 ( 7 ) 后仿真也称为时序仿真，是指将布局布线的延时信息反标到设计网 表中来检测有无时序违规现象发生。时序仿真包含了f p g a 中最全同时也是 最精确的延时信息，能较好地反映芯片的实际工作情况。由于不同芯片内部 的延时不同，不同的布局布线方案也会给延时造成不同的影响。因此在布局 布线后进行系统的后仿真，估计系统性能并检查和消除竞争冒险是非常必要 的，后仿真流程如图2 8 所示。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 f p g a ，家工具 测试数据 h d l 网表 s d f 文件i if p g a 基本单ii 测试程序 ( n e t | i s t )i i ( 标准延时格式) l l 元仿真模型i l ( t e s t b e n c h ) 逻辑仿真器 图2 8 后仿真流程图 ( 8 ) 在系统测试是指将综合工具生成的f p g a 配置文件下载到f p g a 芯片中，进行真实器件上的功能验证和时序验证，确保系统设计在芯片上的 表现符合设计规范中对设计的功能要求和时序要求。 2 2i l b c 编码过程 i l b c 语音编码器的输入格式要求为采样率为8 k h z 、1 6 位量化的p c m 信号，编码流程如图2 9 所示，编码器中各部分的基本功能将在下面章节予 以详细说明。 图2 9i l b c 语音编码器流程图 1 2 哈尔滨下程大学硕士学何论文 2 2 1预处理 通过预处理可以去除输入信号中的直流5 0 6 0 h z 的噪声信号，该编码器 采用截止频率为9 0 h z 的高通滤波器实现此功能，当信号输入前的噪声已被 去除时，该功能可忽略1 2 3 】。 2 2 2l p c 系数的计算与量化 l p c 分析模块的输入有可能是经过预处理后的数据帧，每个数据帧包含 2 4 0 3 0 0 个样点( 这些样本点由前一数据块末尾的8 0 6 0 个样本点和当前块的 1 6 0 2 4 0 个样本点组成) ，每个帧又被分为4 6 个子帧，每个子帧包含4 0 个样 本点。对于3 0 m s 帧，从3 0 0 个样本点中分别取前2 4 0 和后2 4 0 个样本点进 行加窗处理和自相关计算，求出两组自相关系数( 每组包含1 1 个数据) 。对 于2 0 m s 帧，只进行一次自相关计算( 即生成一组共1 1 个自相关系数) 。然 后采用l e v i n s o n d u r b i nr e c u r s i o n 法计算出1 0 阶l p c 滤波器的系数，这些系 数被转换为l s f ( l i n es p e c t r a lf r e q u e n c i e s ) 表示，因为l s f 表示具有更好 的量化和内插特性，降低了数据处理的复杂性。在得到l s f 系数后将每组 l s f 系数分为长度分别为3 、3 、4 的子组，用固定码本进行向量量化( 固定 码本的长度分别为6 4 、1 2 8 、1 2 8 ) ，因此每组l s f 系数在量化后得到的索引 值可以用2 0 位( 6 + 7 + 7 ) 二进制数来表示。因为在编码过程中要同时用到量 化和未量化的l s f 系数，所以需要对已量化和未量化的l s f 系数进行内插操 作( 线性内插) 。 2 2 3 残差信号的计算 将已量化且经过线性内插操作的l s f 系数转换得到l p c 滤波器的系数， 构建滤波器对语音信号进行滤波就得到了残差信号。 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 2 2 4 感知权重滤波器 为了使输出的残差信号更加平滑，设计了计算复杂度较低的感知权重滤 波器对输出信号进行滤波，滤波器计算公式如式2 1 所示。 w k ( z ) = l ( 2 1 ) a k ( z l p cc h i r pw e i g h t d e n u m ) 式中：l p cc h i r pw e i g h t d e n u m = 0 4 2 2 2 a k ( z ) 是滤波器的参数为子块z 未量化但已插值的l s f 系数 2 2 5 开始状态编码 开始状态是指具有最大能量的两个连续子块( 共8 0 个样本点) ，为了提 高数据表示的性价比，仅取其中5 7 5 8 个样本点作为一帧的开始状态。通过 对子块残差信号之间能量的计算并乘以相应的权重系数( 为了使开始状态偏 向一帧的中间位置) 得到开始状态在一帧中的位置( 3 0 m s 帧用3 b i t 表示，2 0 m s 帧用2 b i t 表示) 和开始状态在两个子块中的位置( 用l b i t 表示) 。 为了使s t a r ts t a t e 中的残差样本值分布具有偶对称性，用全通滤波器对残 差信号进行滤波，滤波器的定义如式2 2 所示。 p k ( z ) ：a r k ( z ) ( 2 2 ) a k ( z ) 式中：彳础( z ) = z - 1 。+ a e ( i + 1 ) x z _ 9 找出滤波后的残差信号中的最大值，对其求底数为1 0 的对数值，再将对 数值通过查找长度为6 4 的量化表进行量化，得到近似值q m a x 。然后将残差 信号乘以比例因子s c a l2 磊嘉得到归一化的残差样本值。 在感知权重语音域中对归一化的样本值用标量d p c m 量化器进行量化， 量化过程如图2 1 0 所示。其中w k ( z ) 为感知权重滤波器，p k ( z ) 为预测 1 4 哈尔滨：t ：程大学硕十学位论文 滤波器。 图2 1 0 开始状态样点的d p c m 量化过程 通过查找长度为8 的量化表对输出u n 】进行量化，并用3 b i t 表示量化所 得的下标值，至此完成了对开始状态的量化过程。 2 2 6 剩余信号编码 i l b c 编码器使用动态码本对剩余信号( 包括s t a r ts t a t e 中的剩余2 3 2 2 个样本点和其它包含4 0 个样本点的子块) 进行编码。在编码端对己编码的 l p c 激励信号进行解码存储于码本存储空间中，然后在此基础上生成动态码 本。用于对2 3 2 2 样本点进行编码的码本存储空间长度为8 5 ，用于对其它子 块进行编码的码本存储空间长度为1 4 7 ，i l b c 动态码本搜索流程如图2 1 1 所示。 图2 11i l b c 动态码本搜索流程图 ( 1 ) d e c o d e ：利用未感知加权的码本对已编码的残差信号进行解码； ( 2 ) m e ms e t u p ：用解码的残差信号填充码本存储内容，用于生成码本； ( 3 ) p e r t w ：对码本存储空间中的数据和目标进行感知加权； ( 4 ) s e a r c h ：通过搜索码本找出与目标残差最匹配的码本向量，计算优 哈尔滨工程大学硕十学位论文 化增益并进行量化； ( 5 ) u p dt a r g e ：将从感知加权后的存储空间中选出来的向量与优化增 益相乘得到预测残差，并用目标残差减去此预测残差，得到更新后的目标残 差。此过程需要再重复执行两次； ( 6 ) r e s c a l eg 【o 】：计算由于对剩余残差样本编码造成的能量损失。 2 2 7 增益修正 开始状态的量化使用了每个样本点3 b i t 的相对独立的量化的模型，而其 它样本的编码则使用了动态码本。对于无声的语音片段和背景噪音，将会由 于采用了标准差而不必要地使编码信号的能量低于目标信号的能量，造成时 间封装不稳定【2 4 之5 1 。因此需要重新调整第一阶段的增益来修正能量损失。 2 2 8 数据包封装 2 0 m s 数据帧编码后长度为3 0 4 b i t ( 3 8 字节) ，数据速率为1 5 2 0k b i t s ； 3 0 m s 数据帧编码后长度为4 0 0 b i t ( 5 0 字节) ，数据速率为1 3 3 k b i t s 。 2 3i l b c 解码过程 当解码端收到数据包时，解码器会从数据包中取出解码时所需的参数并 进行相应的解码操作。i l b c 语音解码器流程如图2 1 2 所示。 图2 1 2i l b c 解码器流程图 1 6 坠签鎏王堡盔堂堡主堂垡迨皇 ( 1 ) g e tp a r a ：从比特流中提取参数： ( 2 ) l p c ：求出l p c 滤波器的系数并线性插值； ( 3 ) s cd e q u a n t ：构造开始状态( s t a r ts t a t e ) ( 4 ) m e ms e t u p ：用已解码的残差信号填充码本存储空间，该存储空间 将被用于构造码本； ( 5 ) 计算其余的残差信号，由三个阶段的码本向量与增益的乘积累加而 成； ( 6 ) 用后滤波器对残差信号进行语音增强； ( 7 ) 将残差信号综合得到合成语音信号； ( 8 ) 用高通滤波器对合成语音信号进行后处理( 可选) 。 2 3 1l p c 滤波器的重建 根据数据包中的l s f 系数的3 6 个下标值查找固定码本，即可得到l s f 向量，将l s f 向量组合在一起就得到了已量化的l s f 系数。再通过稳定性检 查和线性插值可以得出线性预测滤波器的系数。 2 3 2 构造开始状态 首先解码求出第一级开始状态样本值，乘上比例因子后，将开始状态作 时间倒置，为了补偿早期过滤操作的相位打散( p h a s e d i s p e r s i o n ) ，再用编 码器端所使用的全通滤波器对其进行过滤【2 6 1 。全通滤波器的定义如式( 2 3 ) 所示。 p k ( z ) ：a r k ( z ) ( 2 3 ) 9 式中：彳触( z ) = z - 1 。+ a l c ( i ) x z - 9 i = 0 1 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 2 3 3 解码生成残差信号 利用解码过程中创建的码本存储空间中的数据可以创建动态自适应码 本，使用码本对剩余部分子块的残差信号进行解码，解码过程与编码过程基 本相同。 2 3 4 丢包处理 当由于网络拥堵等其它原因造成丢包时，解码器将使用丢包隐藏技术 ( p a c k e tl o s sc o n c e a l m e n t ，p l c ) 对此进行处理，p l c 单元依据收到数据包 的情况采用不同的处理方法，可分为以下三种情况： l 、上一个数据包和当前数据包均正常接收到。此时，p l c 单元仅存储 当前数据包中的状态信息，如果下一个数据包未正常收取，则利用存储的状 态信息对其进行操作。 2 、当前数据包丢失。此时首先对上一个数据块中的激励信号进行相关性 分析，求出基音周期的个数和数值。然后使用得到的基音周期来创建当前数 据块的激励信号，这样得到的激励信号有利于保持基音周期的连续性。最后 用前一个数据块的l p c 滤波器对所得激励信号进行过滤得到当前被替换数 据块的语音信号。 3 、上一个数据包丢失，当前数据包正常接收。此时，不能将当前数据块 解码合成的语音信号直接输出，因为这样可能