高速G.729ab声码器设计及其在媒体网关中的应用

1、高速g.729ab声码器设计及其在媒体网关中的应用在voip媒体网关设备中，语音压缩编码是其关键技术之一。在itu-t发布的应用于voip的语音压缩编解码标准中，g729是应用较为广泛的一种。g729采纳“共轭结构代数码本激励线性预测编码” (cs-acelp)算法，算法帧长为lo ms，编码后速率为8 kbs。g729有两个附件：附件a给出一种低复杂度的算法，可应用于多媒体同步语音和数据；附件b在标准算法的基础上增强了静音检测压缩算法以降低平均传输率，包括静音检测(vad)和舒服噪音产生(cng)。文献对g729语音压缩编码算法的详细原理中有详尽的描述，本文的论述重点在算法的汇语言优化、声码

2、器的硬件接口设计，以及其在媒体网关中的应用。1 g729ab编解码核心算法优化本文挑选ti公司的tms320c6203芯片为核心，实现g729ab声码器设计。tms320c62xx系列dsp的集成开发环境code composer studio(简称ccs)支持标准和汇编混合编程的方式编程，为了提高编解码算法的效率，本文对itu_t的标准g729ab的c语言原码举行汇编命令优化设计。同时，对于上层编控制函数，采纳c语言开发，以提高声码器的可维护性。c62xx采纳6级流水线结构，提供了a，b两组(共32个)通用寄存器，8个功能单元(l1，l2，s1，s2，m1，m2，d1 和d2)，最多同时可以

3、有8条命令处在不同的执行阶段并行。流水线结构是dsp实现高速运算的重要技术。因为不同命令的命令周期不同，需要在多周期命令后插入足够的nop(空操作)命令，以避开流水线矛盾。在g729ab的标准c代码中，有大量的循环体。循环控制的关键跳转命令b，需要等待5个命令周期，大量的nop操作将降低代码的效率。为了提高循环效率，可以合理支配命令挨次，在一个汇编循环体内完成多个c循环的运算的流水线操作。用汇编命令实现如下容易的for循环求信号能量的程序段为例：上述示例可用法如下汇编程序段实现：如上优化后，循环体loop仅为一个周期，在这一个周期中有6条并行运行的命令。其中，内存读取命令ldfi需4个周期，故

4、乘法命令smpy是将向前追溯 4个循环周期的内存读取结果相乘。同理，smpy命令需2个周期，故sadd命令是将2个循环周期之前的相乘结果相加。b0和a1协作用于循环控制，在等待跳转命令b有效的5个延时周期内，依次举行随后的后一循环的取数，前第3个循环的相乘，前一个循环的求和、循环控制和跳转命令，依次类推。上述优化实现了最优循环效率。本设计优化后核心编解码算法代码彻低符合itut g729ab标准，并通过了itu-t的全部测试矢量。用法300 mhz主频的tms320c6203实现声码器，单片可支持31路g729ab算法。2 声码器的dsp硬件接口设计在媒体网关中，声码器的功能是实现pstn的e

5、1语音信号和数据网分组语音压缩信号之间的编解码转化。利用tms320c6203片内固化设置的 mcbsp接口(多通道缓存串行接口)与hpi接口(主处理器接口)，可以实现dsp与e1、以及数据网上层处理器的衔接。结构暗示图1所示。tm320c6203通过内置mcbsp与edma(enhanced directory memory access，增加型挺直内存拜访)控制器协作，可实现与e1标准接口的链接。设置mcbsp的接收发送控制寄存器(rxcr)，使串口根据标准e1 数据格式举行数据收发；设置串口管脚控制寄存器(pcr)，控制串口采纳外部e1总线的时钟和帧同步信号；设置串口控制寄存器(spcr

6、)，控制串口的 rxint(收发中断)由edma响应。tms320c6203支持16个edma通道，其1215通道可用于响应串口收、发中断。以串口接收数据为例：本设计中设计了乒、乓两个串口数据接收缓存区。串口寄存器中的数据通过edma模式缓存到乒缓存区，当乒缓存区满时，edma参数重载，控制切换，将数据缓存至乓缓存区，同时给出edma中断，通知cpu读取一帧数据。通过mcbsp接口发送数据的过程彻低类似。声码器通过dsp的hpi接口与上层处理器衔接，实现数据网分组语音压缩信号的收发。在hpi接口中，设计了以太网数据发送接收缓存区，并为每个缓存区设计了rp(read pointer，读指针)和w

7、p(write pointer，写指针)，用于控制上层处理器和dsp之间的编码数据交互。同时上层处理器通过hpi接口向声码器发送命令，控制通道的打开或关闭。3 在媒体网关中的应用设计声码器内部的主控程序采纳定时中断方式拜访hpi接口，按照上层处理器的命令打开或关闭通道。同时主程序用法轮询方式处理从e1接口来的pcm话音信号；按照相应的通道工作状态设置编解码算法参数，将话音信号压缩编码；编码后的语音数据，通过hpi接口输出到上层处理器，进入数字网络。用法彻低类似的轮询处理方式，逆向处理从来自数字网络的编码数据。因为数字网络属于分组通信，必需有合适的多媒体实时流网络传输协议以保证语音的连贯性。在声

8、码器的hpi接口控制程序中，设计了一个提供应上层处理器的 rtp(real-time transport protocol，实时传输协议)接口，用于完成编码和解码数据包的输出和输入及相应的rtp成帧、解帧功能，详细功能设计如下：rtp打包和发送：rtp包由具有固定格式的包头和数据部分组成。将编码后的语音数据，根据rtp打包参数的要求组织rtp头和rtp净荷。 rtp包头中的关键字段为sn(sequence number，序列号)和ts(time stamp，时光戳)。sn用于对rtp包举行排序。每发送一个rtp数据包，sn加1。ts用于标识rtp数据包中第一个字节采样时的时刻，以语音样本为单位

9、递增；对于语音包和静音压缩包，ts增值全都。另外，rtp包头中的pt(payload type，负载类型)字段用于指示rtp净荷的数据编码格式。在rfc3550中规定了标准音频载荷类型：g729编码对应的pt为18。因为rtp包头中没有长度字段，故对rtp包举行了外部扩展：将打好的rtp包作为净荷，附加上rtp包数据长度、通道号，组成“以太网数据包”。针对c6203的32位寻址的hpi总线接口，设计以太网数据包格式2所示。rtp包发送：即写“以太网数据包”至“以太网数据发送缓存区”。首先按照该缓存区的读写指针推断剩余空间；如写空间不够，则放弃此次写操作，该数据包同时被丢弃。如写空间足够，则将数

10、据包写入发送缓存区，并更新写指针。上层处理器按照该缓存区的读写指针推断该缓存区内是否有新数据，并举行读操作，以及更新读指针。rtp包接收、排序和缓存：分组通信需要考虑语音的防颤动处理。本文通过设置静态颤动缓冲区实现去颤动。首先按照“以太网数据接收缓存区”的读写指针推断是否有新的数据包到来，假如有，则将该数据包按照rtp的sn和ts罗列在相应通道的rtp缓存队列中。重复上述过程直至将“以太网数据接收缓存区”中全部的数据包读完，然后更新该缓存区的dsp读指针。对于每个通道的rtp缓存队列，当缓存语音数据到达预先定义的阈值k时，给出标记允许该通道开头举行语音数据解码。假如数据分组有颤动延迟，则解码语音可继续保持