（通信与信息系统专业论文）g729ab多路话音系统的dsp实现.pdf

摘要 国际电信联盟( i t u t ) 于1 9 9 6 年推出的语音压缩编码标准g 7 2 9 a 采用共 轭结构代数码激励线性预测技术，可以将6 4 k b p sp c m 信号压缩到8 k b p s ，并且 保持较好的话音质量，广泛应用于多媒体通信、数字电路倍增设备( d c m e ) 、i p 网络电话中。同时推出的基于( 3 7 2 9 标准的静音压缩方案g 7 2 9 b 可以优化 g 7 2 9 a ，进一步提高话音压缩比。 本文以t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片为硬件处理器，讨论了g 7 2 9 a + b 代码 优化方法，并对语音编码质量作了对比分析。在优化代码的基础上利用 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6d s k 板实现了单路g 7 2 9 a + b 实时语音采集播放系统，并且提出 了基于s t - b u s 总线的多路话音系统的实现方案。 a b s t r a c t t h ea n n e xao fi t u - tr e c o m m e n d a t i o n ( 3 , 7 2 9w a sp r e p a r e di n19 9 6 ，w h i c h a d o p t sc o n j u g a t c s t r u c t u r ea l g e b r a i c c o d e e x c i t e dl i n e a rp r e d i c t i o n ( c s a c e l p ) t e c h n i q u e t h ea r i t h m e t i cc a nc o m p r e s s6 4 k b p sp c mt o8 k b p sa n dk e e ps a t i s f a c t o r y s p e e c hq u a l i t y i th a sw i d e l yu s e di nm u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ，d i g i t a lc i r c u i t m u l t i p l i c a t i o ne q u i p m e n ta n dv o i ea n n e xbo f ( 3 7 2 9i sas i l e n c ec o m p r e s s i o n s c h e m ef o rg 7 2 9 ，w h i c hc a nc o o p e r a t ew i t hg 7 2 9 aa n dc o m p r e s ss p e e c hm o r e e f f i c i e n t t h i sp a p e rd i s c u s s e sh o wt oo p t i m i z et h ec o d eo fg 7 2 9 a + bb a s e do nt r s t m s 3 2 0 c 6 416d s p sa n da n a l y z e st h eq u a l i t yo fc o m p r e s s e ds p e e c h a f t e rt h ec o d e b e i n go p t i m i z e d ，a u t h o rd e s i g n s a s i n g l e - c h a n n e l v o i c er e a l t i m e s y s t e m o n t m $ 3 2 0 c 6 4 1 6d s kb o a r d t h e n ，t h es c h e m eo fm u l t i c h a n n e lv o i c e s y s t e m i n t e r f a c i n gt os t - b u si sp r o p o s e d 南京邮电学院硕士研究生学位论义缩略语 a d p c m a l u c e l p c s a c e l p c n g d c m e d m a d s p s d t x d m a e d m a e m i f f i r f f t i t u t l p l s p l s f m c b s p m i p s s 玎) v a d v l i w 缩略语 自适应差分编码 逻辑运算单元 码激励线性预测 共轭结构代数码激励线性预测技术 舒适噪声产生 数字电路倍增设备 直接存储器访问 数字信号处理器 不连续传送 直接存储器访问 扩展的直接存储器访问 外部存储器接口 有限长脉冲响应 快速傅立叶变换 国际电信联盟组织 线性预测分析 线谱对 线谱频率 多通道缓冲串口 每秒百万条指令 静音描述帧 静音检测 甚长指令字 南京邮电学院学位论文独创性声明 f7 6 5 0 5 8 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，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 含为获得南京邮电学院或其它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对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日期 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) ：授权 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名： 导师签名：一 日期： 南京邮电学院硕士研究生学位论文 日u青 国际电信联盟标准组织( i t u t ，t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o ns e c t o ro f i 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 ) 于19 9 6 年推出了采用共轭结构代数码激励线 性预测( c s a c e l ec o n u g a es t r u c t u r ea l g e b r a i cc o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c a t i o n ) 技 术的具有8 k b i t s 码速率的语音编码算法建议g 7 2 9 ，该算法是以语音编码方案中的码 激励线性预测( c e l p ，c o d ee x c i t e dl i n e a rp r e d i c a t i o n ) 技术为基础的，它采用了多 种当今语音压缩编码的先进技术，合成语音质量不低于3 2 k b i t s 的a d p c m 编码，是 i t u ，t 广泛推荐的语音压缩编码标准算法之一。1 9 9 6 年1 1 月i t u t 相继公布了g 7 2 9 建议的附件a ( a n n e x a ) 和附件b ( a n n e xb ) 。g 7 2 9 a 简化了g 7 2 9 的计算复杂度， 可应用于多媒体同步语声和数据。而g 7 2 9 b 是为优化g 7 2 9 而研究的静音压缩方案， 用于进一步提高话音压缩比。g 7 2 9 a 和g 7 2 9 b 配合使用可以有效降低码率，同时保 持很好的合成语音质量。 c e l p 虽然能在中低速率上提供较好的合成语音方案，成为目前语音编码算法中 最主要的方案，但是计算复杂和数据存储量大却是它的固有缺陷。这使得一些理论上 性能良好的语音编码方案在实时实现或实际应用中还存在许多困难。因此语音编码算 法的实时实现一直是该领域中的一个具有重大意义的研究课题。 自从2 0 世纪7 0 年代末第一片数字信号处理器芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ， d s p s ) 问世以来，d s p s 就以数字器件特有的稳定性、可重复性、可大规模集成，特 别是可编程性高和易于实现自适应处理等特点，给数字信号处理( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ，d s p ) 的发展带来了巨大机遇，并使信号处理手段更灵活，功能更复杂， 其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面。近年来，随着半导体制造工艺的发展 和计算机体系结构等方面的改进，d s p s 芯片的功能越来越强大，使信号处理系统的 研究重点又重新回到软件算法上，而不再象过去那样过多地考虑硬件可实现性。而且 随着d s p s 运算能力的不断提高，能够实时处理的信号带宽也大大增加，数字信号处 理的研究重点也由最初的非实时应用转向高速实时应用。 t i 公司推出的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 ( 以下简称c 6 0 0 0 ) 系列d s p s 将数字信号处理器的 处理能力提高到了一个新的境界。c 6 0 0 0 系列本身在芯片设计上瞄准的是多通道无线 通信和有线通信的应用领域，例如无线3 g 基站、无线局域网、语音识别、多媒体网 南京邮电学院硕士研究生学位论文前言 关、专业音频设备、m o d e m 池以及x d s l 系统等。c 6 0 0 0 系列包括c 6 2 x 、c 6 4 x 、c 6 7 x 三个子系列，其中c 6 2 x 和c 6 4 x 是3 2 位定点d s p ，c 6 7 x 是3 2 位浮点d s p 。c 6 4 x 的处理速度接近9 0 0 0 m i p s ，总体性能比c 6 2 x 提高了1 0 1 5 倍。其中c 6 4 1 6 在 6 0 0 m h z 主频下，完成1 0 2 4 点定点f f t 只要l o g s ，比传统的d s p s 要快1 到2 个数 量级，因此在图像处理、语音处理、数据通信的领域中有广泛的应用前景。 考虑g 7 2 9 a + b 语音编码器的复杂算法和c 6 4 x 高性能低功耗的优良特性，本课 题采用t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 ( 以下简称c 6 4 1 6 ) 定点d s p s 来实现多路g 7 2 9 a + b 话音系统。 本文第l 章分别介绍g 7 2 9 a 和g 7 2 9 b 语音编码原理，第2 章探讨了c 6 4 1 6 的特 性和工作原理，并介绍了d s p 集成软件开发环境c c s ，第3 章分析了g 7 2 9 a + b 仿 真程序，重点讨论代码优化的关键技术，第4 章探讨基于c 6 4 1 6d s k 设计音频实时 采集播放系统，第5 章提出基于s t - b u s 总线实现多路话音系统的解决方案。 2 南京衄电学院硕上研究生学位论文 第1 章g , 7 2 9 a + b 语音编解码原理 第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 1 9 9 6 年1 1 月i t u t 提出g 7 2 9 a 建议，它是g 7 2 9 算法的简化版本，采用共轭结 构代数码激励线性预n ( c s a c e l p ) 语音编码方案，速率为8 k b s ，可应用于多媒体同 步语声和数据。g 7 2 9 b 是优化( 3 7 2 9 编码的静音压缩方案。g 7 2 9 a 和g 7 2 9 b 配合使 用可以有效降低码率，同时保持良好的语音质量。本章简述了g 7 2 9 a 和g 7 2 9 b 编解 码原理，并分析了g 7 2 9 a + b 的特点。 1 1g 7 2 9 a 的算法原理 1 1 1q 7 2 9 a 编码器 g 7 2 9 a 是基于码激励线性预测( c e l p ) 的编码模式，对模拟语音信号8 k h z 采 样，1 6 b i t 线性量化作为编码器的输入信号。每8 0 个样点( 1 0 m s ) 为一个语音帧。 g 7 2 9 a 采用了线性预测技术，并采用前视来提高合成模型的精度。预测器系数根 据当前帧和下一帧进行更新，语音帧长为1 0 m s ，分成两个子帧，前视5 m s 。为了降 低比特率，线性预测器系数、激励信号以及增益均采用了矢量量化，并利用了多级量 化和分割量化技术。g 7 2 9 编码参数包括线性预测器系数、固定码本索引与增益、自 适应码本索引与增益，这些参数的比特分配见表1 1 。把这些参数编码成比特流发送 到接收方解码器。 表1 10 7 2 9 编码参数比特分配 参数码字子帧1子帧2每帧总计 线谱对( b s p ) l 0 ，l 1 ，l 2 ，l 3 1 8 白适应码本时延 p 1 ，p 2 8 5 1 3 基音延时校验 p 0ll 固定码本索引 c 1 c 21 31 32 6 固定码本符号 s 1 s 2448 码本增益( 第一级) g a l g a 2 33 6 码本增益( 第二级) g b l - g b 2 4 48 总计 8 0 南京邮电学院硕l 二研究生学位论文第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 图1 1 是g 7 2 9 a 语音编码原理框图。 j ： i _ 菡4 上一三三蓄兰玎荔回垄遵学流 i 增益量化卜一= = ：= ：三三三l 参数编码卜一一 l _ 一l p c 信息l _ j 图1 1g 【7 2 9 a 语音编码器原理图 g 7 2 9 a 编码过程可以分为预处理、线性预测( l p ，l i n e a rp r e d i c t i o n ) 分析以及 l p 系数到线谱对( l s p ，l i n es p e c t r ap a i r s ) 系数的转换，l s p 系数量化、内插，计 算加权语音以及开环基音分析，闭环基音分析，固定码本搜索、码本增益量化和滤波 器内存更新等。 】，1 1 1预处理 输入1 6 b i t s 线性p c m 语音信号，为避免处理中产生溢出和不必要的低频成分， 将输入样点值都除以2 ，并通过一个截止频率为1 4 0 h z 的高通滤波器。 1 1 1 2 线性预测分析和量化 短时相关分析采用1 0 阶线性预测滤波器模型。 蕊2 1 0 r 1 + d z f = 1 ( 式1 1 ) 线性预测分析针对1 0 m s 语音帧进行，首先对信号加分析窗，计算窗口内语音信 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 = l ，1 0 。分析 窗由两部分组成：第部分是半个汉明窗，第二部分是四分之一个余弦信号。 4 南京邮电学院颂j 研究生学位论史 第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 咖，=卜054警-046cos(-等抽)瑙,n=瓯0彩1999 c 枷 其中有5 m s ( 4 0 个样点) 来自下一帧，1 5 m s ( 1 2 0 个样点) 来自上一帧，当前帧 1 0 m s ( 8 0 个样点) 。 由于线谱对参数l s p ( l i n es p e c t r ap a i r s ) 比线性预测系数具有更好的内插特性和 量化特性，因此将l p 滤波器系数a i , i = l ，1 0 转化为l s p 系数：用l p 系数构造个 对称多项式，l 和一个反对称多项式，2 ，这组差分多项式的根就是l s p 系数。 从多项式f 1 和f z ( z ) 估算l s p 系数时，将o 均分为5 0 个点，将这5 0 个点 的频率值分别代入f - 0 ) 和f 2 ，检查它们的符号变化，在发生变化的两点之间再均 分2 份，再将这个点频率值代入 0 ) 和最圆，若使符号发生变化，该点即为所求的 解。 l s p 系数q ，的量化是用归化频率 o ，】的l s fw f 表示的，即 = a r c c o s ( q ，) ，i = 1 ，1 0 ( 式1 3 ) 用4 阶m a 预测器来预测当前帧的l s f 系数，将计算的和预测的l s f 系数之差 用二级矢量量化。第一级是1 0 维的矢量量化，用7 比特编码( 1 2 8 个码) ；第二级是 将1 0 维分裂为两个5 维的码本，分别用5 比特编码( 3 2 个码) 。 量化l s p 系数用于第二子帧。对于第一子帧，量化l s p 系数是用相邻子帧的对 应参数线性内插得到的。插值操作在余弦域进行。令4 ，是当前1 0 m s 帧l s p 系 数，4 c 一m 是前一帧l o r e s 的l s p 系数。那么两个子帧的l s p 系数内插由下式得出： 子帧1 ：= o5 “”+ 0 5 ( 式1 4 ) 于| 9 1 i2 ：香冬矿”扛k ，10 l s p 系数量化和内插后。应重新转换回l p 系数n 。 1 1 1 3 感觉加权 感觉加权滤波器基于量化l p 系数二，表示为w ( z ) = d ( z ) d ( z v ) 。其中 r = o 7 5 ，因 此加权合成滤波器阡让) 几亿) 简化为l d ( z t ) ，使与之相关的加权合成滤波器的冲激脉 冲响应的计算、目标信号的计算、滤波器状态的更新计算都得到了简化。因7 值固定， s 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 g 7 2 9 a 中不需要调整y 值的自适应过程。 经过低通滤波的加权语音用于开环基音估计。低通滤波加权语音通过滤波器 五( z ) 曲( z ，) ( 1 0 7 z 一1 ) 对语音信号s ( n ) 滤波得到。首先计算滤波器 一( z ) = a ( z r ) 0 0 7 z 。) 的系数，然后由下式得出每个子帧的低通滤波加权语音： s w ( n ) = r ( 托) 一。1 0 “i ，j 。( ”一f ) ，”= o ，3 9 ( 式1 5 ) 式中r ( n ) 是l p 残差信号 1 0 r ( 以) = s ( ) + h , s ( n - i ) ，”= o ，3 9 _ l s 。( ) 用于估计每帧语音的基音延迟。 1 1 1 4 开环基音分析 ( 式1 6 ) 为减小最佳自适应码本延时搜索的复杂度，由开环基音分析得到候选时延乙，搜 索范围限制在时延附近。开环基音估计基于低通加权语音信号瓯( h ) ，每1 0 m s 帧 做一次。先找三个最大的自相关函数 3 9 r ( 七) = s 。( 2 n ) s 。( 2 一) 在以下三个范围内寻找： i = 1 ： 2 0 ，3 9 i = 2 ：4 0 ，7 9 i = 3 ：8 0 ，1 4 3 保留最大的r ( t ) ( f _ 1 ，2 ，3 ) ，然后归一化 盹) = 雨些，f = 1 3 擎( 2 肛啊 ( 式1 7 ) ( 式1 8 ) 在较低范围内的短延时作为三个归一化自相关函数中的选中者。 注意：计算自相关函数时( 式1 7 ) 只取偶数样点。而且在第三个延时范围 8 0 ， 1 4 3 】搜索时，只计算偶数延时的相关函数，然后在所选基音时延+ l 和一1 的时延上 测试，以确定开环基音时延，而不是在全部基音时延上都计算相关函数而确定。 6 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 1 1 1 5 冲击响应的计算 加权合成滤波器w ( z ) 彳( z ) 的冲激响应 ( n ) 用于自适应码本和固定码本的搜索。每 个子帧计算一次。由单位抽样函数通过1 a ( z 力滤波得到。 1 6 目标信号的计算 自适应码本搜索用的目标信号x ( n ) 是用l p 残差信号r ( n ) 通过加权合成滤波器 1 a ( z y ) 得到。然后决定子帧的激励。这些滤波器的初始状态由l p 残差信号r ( n ) 和 激励信号的差来调整。 l p 残差信号r ( n ) 除用于计算目标信号，还用在自适应码本搜索中扩展过去激励缓 冲器。r ( n ) 的计算见( 式1 6 ) 。 l1 1 7 自适应码本的搜索 每个子帧( 5 m s ) 做一次自适应码本搜索。在第一子帧，基音延时在 1 9 妻，8 4 刍域内， jj 分辨率为1 3 分数延时，在 8 5 ，1 4 3 域内是整数延时。在第二子帧，延时l 在 11 i n t ( 正) 一5 专，i n t ( t 1 ) + 4 争域内，分辨率为1 3 分数延时。这里i n t ( 正) 是取分数延时正的 整数部分。这个范围适合于z 跨在时延范围边界的情况。 每个子帧的搜索边界，。和m 。的确定方法同( 3 7 2 9 ( 参阅【1 】) 。用闭环分析最小 化加权均方误差来决定每一的最佳时延。 1 1 1 8 固定码本的结构和搜索 固定码本是代数码本结构，采用交错单一脉冲置换( i n t e r l e a v e ds i n 9 1 e p u l s e p e r m u t a t i o n ，i s p p ) 方式。在固定码本中，每个码本矢量含4 个非零脉冲，脉冲幅度 为+ 1 或一1 ，并且可以呈现在固定位置。固定码书的搜索实际上就是要找出这4 个 非零脉冲的位置。这是该协议降低编码速率最有特色的技术。 脉冲允许出现的位置如表1 - 2 。前三个脉冲分别有8 个可能出现的位置，用3 比 特编码，而第四个脉冲则有1 6 种情况，用4 比特编码，因而整个码本矢量编码比特 数为1 3 比特。另外，符号码字s 占用4 比特。 码本矢量c ( n ) 的构成可取4 0 维零矢量，确定四个单位脉冲的位置，然后乘以符 号矢量。c ( r 1 ) 表示为： c ( n ) = s o s ( n m 0 ) + s l s ( n 一拼i ) + s 2 8 ( n m 2 ) + 马万( h m 3 )( 式1 9 ) 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 表1 2 固定码本结构 脉冲符号位置 i os 0 ：e lm 0 ：0 ，5 ，1 0 ，1 5 ，2 5 ，3 0 ，3 5 ，4 0 i 1 s l ：- 4 - 1m l ：1 ，6 ，1 1 ，1 6 ，2 l ，2 6 ，3 l ，3 6 i 2s 2 ：士1 m 2 ：2 ，7 ，1 2 ，1 7 ，2 2 ，2 7 ，3 2 ，3 7 m 3 ：3 ，8 ，1 3 ，1 8 ，2 3 ，2 8 ，3 3 ，3 8 i 3s 3 ：士1 4 ，9 ，1 4 ，1 9 ，2 4 ，2 9 ，3 4 ，3 9 固定码本搜索的任务就是确定四个单位脉冲的极性和位置，搜索结果形成两个码 字：符号码字s 和固定码字c 。s 表示4 个脉冲的幅值，其表达式为： s = s o + s 1 + s 2 + 马( 式1 1 0 ) 其中s i 指示第i 个脉冲的正负，s i = 0 ，代表幅值为一l ；s i = l ，代表幅值为+ l 。固 定码本码字c 表示4 个脉冲的位置，其表达式为： c = ( 卅o 5 ) + 8 ( m i 5 ) + 6 4 ( m 2 5 ) + 5 1 2 ( 2 ( m 3 5 ) + 豇)( 式1 1 1 ) 式中，当m 3 = 3 ，8 ，3 8 时，j 。= o ；m 3 = 4 ，9 ，3 9 时，j 。= 1 。m ，5 为整除运算。 固定码本搜索的目的是在自适应码本搜索确定的预测激励的基础上，再附加增量激 励，使残差进一步减小。固定码本搜索遵循均方误差最小化准则，最小化加权语音信 号和加权重构语音信号的均方误差来进行固定码本搜索。 1 1 1 9 增益的量化 确定基音周期后，通过内插过去的激励信号u ( n ) 获得自适应码本矢量，并由下式 确定自适应码本增益g 。： 一：。x ( 行) y ( ，z ) ：。y ( n ) y ( n ) 且0 g 。i 2( 式1 1 2 ) 对上一子帧固定码本增益藓采用m a 预测，可得当前子帧固定码本增益g 。= y g ：， 式中的y 为修正因子。 g 7 2 9 a 对自适应码本增益g 。和修正因子y 采用二级共轭结构码本进行矢量量 化。第一级码本g a 共有8 个矢量，采用3 比特编码：第二级码本g b 含有1 6 个矢 量，采用4 比特编码。g a 和g b 中每个码矢均包含两个元素：第一元素为自适应码 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 本增益量化值的一部分；第二元素为固定码本增益修正因子量化值的一部分。 增益码本的搜索依然遵循原始语音信号和重构语音信号均方误差最小化的原则 ! 进行。g a 码本中，码字的第二元素大于第一元素，即y g p 。g b 码本中，码字的第 ： 一元素大于第二元素，即g p ，。增益码本的预选策略利用了码本的这种共轭结构，简 化了码本的搜索，使得运算量只为全搜索算法的1 4 。首先，预选过程在g a 中选择 第二元素与预测，最接近的四个矢量，在g b 中选择第一元素与g 。最接近的8 个矢量。 此时，码本范围缩减了5 0 ，只有4 8 = 3 2 种矢量组合，然后对在这些码本矢量范 围内进行完全搜索。这一预选过程不但减小了算法的复杂度，而且相当于完全搜索其 质量并没有明显的下降。 1 1 1 1 0 修改存储器 在下一予帧计算目标信号时，加权合成滤波器的状态需要修改。两个增益被量化 后，当前子帧的激励信号u ( n ) 由下式得到： “( n ) = 富。v ( n ) + 富。c ( 月) ，月= o ，3 9 这里，雪。和包是量化的自适应码本和固定码本增益，v ( 以) 是自适应码本矢量( 过 去激励的内插值) ，c ( 玎) 是包含谐波增强的固定码本矢量，用滤波信号r ( n ) 一“( n ) 修 改滤波器状态，r ( n ) 一“( ”) ( 残差与激励之差) 通过滤波器1 五( z ，) 计算4 0 个样点 的子帧并存储滤波器的状态。有一个更简单的方法，不需要滤波器操作，由于输入 r ( n ) 一u ( n ) 滤波器的输出等价于加权误差信号e 。( ”) ： p 。( ) = x ( n ) 一雪。y ( 盯) 一童。z ( n ) ( 式1 1 4 ) 这里，x ( h ) 是目标信号，y ( n ) 是经滤波的自适应码本矢量，z ( n ) 是经滤波的固定 码本矢量。由于x ( n ) 、y ( n ) 和z ( ”) 是可用的，加权合成滤波器的状态修改由( 式1 1 4 ) 得到的p 。( ) 0 = 3 0 ，3 9 ) 进行。 1 1 2 g 7 2 9 a 解码器 解码器原理框图如图1 2 所示。 9 南京邮电学院硕上研究生学位论文第1 章c - 7 2 9 a + b 语音编解码原理 图1 2c t 7 2 9 a 解码器原理图 相对于编码来说，解码要简单得多。首先参数解码，从接收的码流中解码得到l p 系数、自适应码本矢量、固定码本矢量和增益等。参数编码码流发送顺序见表1 3 。 然后将这些参数用于重构语音信号， 表1 3 并用后置滤波、高通滤波等改善音质。 发送参数及其顺序 符号说明 b i t s l om a 预测器开关1 l 1 l s p 量化器的第一级矢量 7 l 2l s p 量化器的第二级低维矢量 5 l 3 l s p 量化器的第二级高维矢量 5 p l 第一子帧的基音延时 8 p 0 p 1 的前6 比特的奇偶校验 1 s 1 第一子帧固定码本脉冲符号 4 c 1 第一子帧的固定码本 1 3 g a l 第一子帧增益码本( 第一级) 3 g b l 第一子帧增益码本( 第二级) 4 p 2 第二子帧基音延时 5 s 2 第二子帧固定码本脉冲的符号 4 c 2 第二子帧的固定码本 1 3 g a 2第二子帧增益码本( 第一级)3 g b 2 第二子帧增益码本( 第二级) 4 1 1 2 1 参数解码 收到序号l 0 、l 1 、l 2 和l 3 ，重构l s p 系数，把每子帧的l s p 系数转换为l p l o 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第1 章c t 7 2 9 a + b 语音编解码原理 滤波器系数日。以子帧为单位重构语音。每一子帧重复以下步骤： ( 1 ) 解码自适应码本矢量。 ( 2 ) 解码固定码本矢量。 ( 3 ) 解码自适应码本和固定码本增益。 ( 4 ) 重构话音的计算。通过l p 合成滤波器系数及后置处理器处理重构话音。 重构激励之前，由收到的p i 前6 位作x o r ，如果与p o 相同，则认为接收正确，如果与 p o 不同，则认为接收发生了错误，此时的延时值t l 用前一帧的t 2 来代替，作为当前帧的 t l 值。 1 1 2 2 后置处理 后置处理包括三个功能：自适应后置滤波、高通滤波和信号放大。自适应后置滤波 是三个滤波器级联：长时后置滤波h ，( z ) 、短期后置滤波器h ，( z ) 和斜补偿滤波器 h ，( z ) ，接着是自适应增益控制过程。长时后置滤波器仅用了整数延时，短时后置滤 波和斜补偿滤波则舍弃了增益系数g ，和岛。 1 1 2 3 帧丢失处理 如果解码器检测到一帧语音参数丢失，将驱动帧丢失处理过程，根据以前收到的 信息重建当前帧，用特性类似的激励代替丢失的激励，并且使其能量逐渐衰减。该过 程进行的步骤包括：重复使用上一好帧的l p 参数构成合成滤波器；衰减自适应 和固定码本增益：g 。( m ) = 0 9 8 9 。( m - 1 ) ，g ，( m ) = o 9 9 。( m - 1 ) ，且g ，( m ) a l a z c + b lt h e n l v o = 1 2 ) i f a s 口2 z c + b 2 t h e n l w = 1 3 1 i f a e f a 3 a z c + b 3t h e ni v d = l 4 ) i fa e f a 4 a z c + b 4t h e n ，= l 5 1 i f a e f b 5t h e n i v d = 1 6 1i fz k e f b 7t h e n i v d = 1 8 ) i fz k e j 铂a z c + b 8t h e ni v o = 1 9 ) i fb e t a 9 z c + b 9t h e ni t d = 1 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章g , 7 2 9 a + b 语音编解码原理 l o 、i fa e t n 2 ) a n d ( e s e 兰瓦) s = 0 e = 0 ) i f ( s o = 1 ) e = 0 4 ) 最终给出平滑的结果踹的值，平滑的第四步为： i f ( ( e ， 。) a n d ( v 一月喈= o ) ) t h e n s = o 在v a d 算法的最后，要对背景噪声参数的平均值进行更新，当然，这种更新是 在条件( e ， n o ) a n d ( 影 0 ( 式1 2 6 ) 其中 南京邮电学院硕士研究生学位论文第1 章g 7 2 9 a + b 语音编解码原理 e = 蹦( 一) 毛= 磁( 功 3 9 毛= e x i ( m ) e x 2 ( 推) n = o 在( 式1 2 5 ) 6 0 ，自适应码本的延迟在 4 0 ，1 0 3 1 啐, 随机选择，固定码本矢量根据 a c e l p 码本结构随机选择激励脉冲的数量、位置和符号构成。增益瓯，g i 必须满足 ( 式1 2 7 ) 丽1 刍3 9 【g 。e 。( 以) + g fx _ ( ”) 】2 = g ? ( 式1 2 7 ) 若前一帧为话音信号帧，g 等于当前s i d 帧的能量q 。；否则g ，由( 式1 2 8 ) 计算 耻b + 扛 ( 式1 2 8 ) 旺一为前一帧的能量。 1 2 4 g 7 2 9 b 与g 7 2 9 a 的配合 g 7 2 9 b 可以作为g 7 2 9 a 算法的一个选项，开启选项时，g ，7 2 9 b 就开始工作， v a d d t x c n g 算法不需做任何改动。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第2 章数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 第2 章数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 本章介绍数字信号处理器的发展历程、结构特点、价格选型，着重讨论了 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片，并对d s p 开发工具作了简要介绍。 2 1d s p s 芯片 2 1 1 d s p s 芯片概述 数字信号处理d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是广泛应用于雷达、语音、通信、 图像处理、人工智能等多种领域的高科技技术。在d s p s 出现之前，数字信号处理采 用通用微处理器来完成，速度慢，难以满足实际需要。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，简称d s p s ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) ，给数字信号处理的发展带来了巨大的机遇，使数字信号处理手段 更灵活，功能更复杂，在国民经济和社会生活的各个方面得到广泛的应用。 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 si 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t i 公司的d s p 芯片占世界市场近6 0 份额。 t i 公司给d s p s 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件调试工具，使得d s p s 的开发难度大大降 低。t i 公司主要推出三大d s p 平台：t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、 t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列。其中c 2 0 0 0 适用于电机控制、家用电器、变频电源控制等，c 5 0 0 0 适应于手机、便携式媒体播放器、数码相机、电信和v o l p 等，c 6 0 0 0 适用于无线基 站、视频流及视频会议、医疗成像等。 2 1 2 d s p s 芯片特点 数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算，如在d s p 中常用的f i r 滤波 和f f t 算法。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点，特别是乘加操作。 d s p s 在很大程度上就是针对上述运算特点设计的。与通用微处理器相比，d s p s 在寻 址和计算能力等方面作了扩充和增强。在相同的时钟频率和芯片集成度下，d s p s 完 成f f t 算法的速度比通用微处理器要快2 到3 个数量级。 1 9 南京邮电学院硕1 二研究生学位论文第2 章数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p s 的结构特点在很大程度上体现了d s p 算法的需求。下面介绍d s p s 在结构 上的主要特点。 2 1 2 1 算术单元 硬件乘法器是d s p s 区别于通用微处理器的一个重要标志。通用微处理器内通过 微程序实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时钟周期，非常费时。d s p s 内的硬件乘法 器专门完成乘法运算，在流水线中只需2 个时钟周期( 包括1 个延迟时隙) 。 d s p s 的c p u 内设置多个并行操作的功能单元( a l u 、乘法器和地址产生器等) 。 如c 6 0 0 0 的c p u 内部有8 个功能单元，包括2 个乘法器和6 个a l u 。这8 个功能单 元最多可以在1 个周期内同时执行8 条3 2 位指令。多功能单元的并行操作使d s p s 在相同时间内能够完成更多的操作，因而提高了程序的执行速度。 2 1 2 2 总线结构 传统的微处理器通常采用冯诺曼总线结构：统一的程序和数据空间，共享的程 序和数据总线。由于总线的限制，微处理器执行指令时，取指和存指操作数共享内部 总线，因而程序指令只能串行执行。 d s p s 采用了程序总线和数据总线分离的哈佛总线结构，这样d s p s 就能够同时取 指和取操作数了。很多d s p s 有2 套或2 套以上的内部数据总线，这种总线结构称为 修正的哈佛结构。 c 6 0 0 0 系列d s p s 采用新的甚长指令字( v l i w ，v e r yl o n gi n s t r u c t i o nw o r d ) 结 构，片内提供8 个独立的运算单元、2 5 6 位的程序总线、2 套3 2 位数据总线和l 套 3 2 位的d m a 专用总线。灵活的总线结构大大缓解了数据瓶颈对系统性能的限制。 2 1 2 3 专用寻址单元 d s p s 通常都有支持地址计算的算术单元一一地址产生器。地址产生器与a l u 并 行工作因此地址的计算不再额外占用c p u 时问。d s p s 内的地址产生器一般也有2 个，这样就可以一次从存储器中取2 个操作数。 d s p s 的地址产生器一般都支持间接寻址而且有些d s p s 还支持反转寻址( 用于 f f t 算法) 和循环寻址。c 6 0 0 0 就支持循环寻址。 2 1 2 4 片内存储器 现代微处理器内部一般都集成有高速缓存器( c a c h e ) ，但是片内一般不设存储程 序的r o m 和存储数据的r a m 。这是因为通用微处理器的程序一般都很大，片内存 储器不会给处理器性能带来明显改善。 2 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第2 章数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p s 面向数据密集型应用，需要大量简单计算，相应程序比较短小，存放在片 内就可以减少指令的传输时间，并有效缓解芯片外部总线接口的压力。同时，d s p s 内一般还集成有数据r a m ，用于存放参数和数据。片内数据存储器不存在外部存储 器的总线竞争问题和访问速度不匹配问题，因此访问速度快，可以缓解d s p s 的数据 瓶颈，充分利用d s p s 强大的处理能力。 2 ，1 2 5 流水处理 除多功能单元外，流水技术是提高d s p s 程序执行效率的另一个主要手段。流水 技术可以使2 个或更多不同的操作重叠执行。在处理器内，每条指令的执行分为取指、 解码和执行等若干阶段，每个阶段称为一级流水。流水处理使得若干条指令的不同执 行阶段可以并行执行，因而能够提高程序执行速度。 2 11 3t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列d s p s 1 9 9 7 年，t i 公司发布了d s p s 芯片t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列，包括定点系列 t m s 3 2 0 c 6 2 x x 和浮点系列t m s 3 2 0 c 6 7 x x ，二者相互兼容。2 0 0 0 年3 月，t i 发布了 定点c 6 4 x x 内核，主频1 1 g h z ，处理速度接近9 0 0 0 m i p s ，总体性能比c 6 2 x x 提高 了1 0 1 5 倍。其中c 6 4 1 6 在6 0 0 m h z 主频下，峰值性能达到4 8 0 0 m i p s 。2 0 0 2 年3 月，c 6 4 1 6 获得e d n 杂志“2 0 0 1 年度创新大奖”。 图2 1 是c 6 0 0 0 系列的发展状况。 图2 1t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 平台的r o a d m a p 2 l 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第2 章数字信号处理器t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 表2 1 列出了目前推出的c 6 0 0 0 系列的芯片。 表2 1c 6 0 0 0 系列d s p s 型号性能 存储器( b y t e s )功率 类型参考价格 c 6 2 0 11 6 0 0 m i p s1 2 8 k 1 3 w 2 0 0 m h z 定点$ 7 6 7 0 c 6 2 0 22 0 0 0m i p s3 8 4 k2 1w 2 5 0 m h z定点$ 1 0 2 0 0 c 6 2 0 32 4 0 0m i p s 8 9 6 k 1 3 w 3 0 0 m h z 定点 $ 1 0 2 0 0 c 6 2 0 41 6 0 0m i p s1 2 8 k o 8 w 2 0 0 m h