论G.729语音编码及在DSP上的实时实现

[摘  要] 文章通过对G.729语音编码算法和定点数字信号处理芯片TMS320VC5416的研究，重点介绍了一个应用DSP对G.729语音编码进行实时处理的实验，并对程序进行优化，结果表明，得到了预期的8 Kb/s的低码速率、较低的算法时延。

[关键词] G.729语音编码器；数字信号处理器；实时实现；算法优化

[中图分类号]       [文献标识码]A     [文章编号] 

[作者简介] 贾迎新(1980—)，女，河北石家庄人，石家庄铁道学院电气工程分院研究生，主要研究方向：计算机检测与控制。

   语音信号是人类使用最多，最基本，也是最重要的信息载体。语音信号处理是信息科学的一个分支，是以数字信号处理和语言学为基础发展起来的一门交叉学科。语音编码技术就是其中的一个分支，其目的是在保证语音一定质量的前提下，将模拟的语音信号用尽可能少的比特实现数字化，以便在有限的传输带宽内让出更多的信道来传送图像、传真、文档、计算机文件和其他数据流，从而达到传输资源的有效利用和网络容量的提高。而高度快速发展的DSP技术为语音信号处理领域提供强有力的工具，使得实时实现各种各样的复杂算法成为可能。

1  G.729语音编码算法

  G.729是国际电信联盟ITU制定的一种高质量的语音压缩标准，该标准是采用“共轭结构－代数码激励线性预测（CS-ACELP）”算法，主要应用于IP电话、移动通信、多媒体网络通信和数字卫星通信等领域。

   G.729使用混合编码算法，对电话带宽的语音信号编码的标准，对输入的模拟语音信号用8kHz采样，16bit线性PCM量化。CS-ACELP是基于码激励线性预测(CELP)的编码模式，每80个样点为1个语音帧，对语音信号进行分析并提取各种参数(线性预测滤波器系数、自适应码本和固定码本中码本序号、自适应码矢量增益和固定码矢量增益)，对其进行编码并发送。在解码端，将接收到的比特流进行解码生成对应的参数：用自适应码矢量序号从自适应码本中得到自适应码矢，用固定码矢序号从固定码本中得到固定码矢，分别乘以它们的增益按点相加后构成激励序列；用线性预测滤波器系数构成合成滤波器；用自适应码本方法实现长时或基音合成滤波，计算出合成语音后，用后置滤波器进一步增强音质。

1.1  编码算法

   在编码端需要进行线谱对（LSP）参数量化、基音分析、固定码本和增益量化4个主要处理步骤。具体流程如图1所示。

   输入信号先经过高通滤波预处理，每10ms帧作一次LP分析，计算LP滤波器系数，这些参数转换为线谱对（LSP）并用两段16bit矢量量化。激励信号用AbS（合成分析）方法搜索，以原始语音与合成语音的误差感知加权最小为测度进行搜索，而感知加权滤波器用未量化的LP系数构造而成。感知加权的量是以保证输入信号的频响是平的而进行的自适应调整。激励参数（固定的和自适应的码书参数）每个子帧（5ms，40个样点）确定一次。量化的和未量化的LP滤波器系数用于第二子帧，而在第一子帧使用内插的LP系数，根据感知加权语音信号每l0ms帧估计一次开环基音延时。下面的操作每个子帧都重复进行。

1.2  解码算法

首先从接收到的码流中提取参数序号，解码这些序号得到lOms语音帧对应的编码参数。这些参数是LSP参数，两个分数基音延时，两个固定码本矢量与两组自适应和固定码本增益，每子帧LSP参数被内插并转换为LP滤波器系数，然后以每5ms子帧为单位合成语音。合成步骤如下:

(1)自适应和固定码本分别乘以各自的增益加起来构成激励。

(2)激励LP合成滤波器重构语音。

(3)重构语音信号经过后置处理，包括长时后置滤波、短时合成滤波和高通滤波。

具体流程如图2所示。

2  TMS320VC5416数字信号处理芯片简介

TMS320VC5416是TI公司为实现低功耗、高速实时信号处理而专门设计的16位定点数字信号处理器，采用改进的哈佛结构，具有高度的操作灵活性和运行速度，适应于远程通信等实时嵌入式应用的需要，先已广泛应用于无线电通信系统中。

具有的主要优点如下：

（1）围绕一组程序总线、三组数据总线和四组地址总线而建立的改进哈佛结构，提高

了系统的多功能性和操作的灵活性。

（2）具有高度并行性和专用硬件逻辑的CPU设计，提高了芯片的性能。

（3）具有完善的寻址方式和高度专业化指令系统，更适应于快速算法的实现和高级语

音编程的优化。

（4）模块化结构设计，使派生器件得到了更快的发展。

（5）采用先进的IC制造工艺，降低了芯片的功耗，提高了芯片的性能。

（6）采用先进的静态设计技术，进一步降低了功耗，使芯片具有更强的应用能力。

3  实时系统的设计

3.1  系统的组成

该系统由5416芯片、模数转换电路、FLASH存储器和双口RAM组成。5416作为整个系统的核心，主要用来完成语音压缩和解压缩在内的所有软件功能。A/D和D/A转换完成语音信号的模数和数模转换。FLASH存储器用来存放系统程序和已初始化的数据，双口RAM用来与外部交换语音压缩数据。

3.2  系统的工作过程

（1）系统加电DSP芯片后，由其内部存储器固化的自引导程序（BOOT）将存于FLASH中的程序数据移入内部RAM。

（2）程序数据进入内部RAM后，DSP芯片开始运行程序，执行语音编码算法。每隔10ms运行一次编解码算法，并与双口RAM交换一次数据。

（3）DSP芯片将语音压缩编码后得到的数据写入双口RAM，由外部系统读出并送至信道。

（4）外部系统将对双方的编码数据送至双口RAM，由DSP芯片从双口RAM中读出，进行数据处理，还原成合成语音。

3.3  系统的软件设计及其优化

（1）软件设计

软件设计主要包括初始化程序、语音编解码程序、串行口中断服务程序、INT0中断服务程序等。初始化程序主要完成系统的初始化，语音编解码程序用来完成G.729的算法，串行口中断服务程序完成语音样值的输入和输出，INT0中断服务程序用于完成每10ms与双口RAM交换一次编码数据。

（2）软件优化

用C 语言编写的算法代码，若直接加载到DSP软件开发平台中进行编译，生成的可执行文件会很庞大，一般很难与实际的DSP 硬件环境相匹配。即使利用DSP 自带的优化编译器，虽然可将代码的容量及速度优化到原来的70% 左右，但效果仍不够理想，这就需要充分开发DSP 内部资源，优化算法。在实际应用中，可以将定点运算中原来用C 语言编写的加、减、乘、除、移位、乘加等基本运算的函数操作直接转化为宏汇编指令操作，这样不仅可以节省寄存器的占用，而且可以提高运算效率。另外一些常调用的函数，如卷积、相关、FIR 滤波等可结合汇编编程的特点，直接用汇编编写，发出高效率的程序代码。

4  结论

在DSP软件调试和开发过程中，采用了TI公司的集成开发环境TMS320C5000 CCS(code composer studio)，得到G.729编解码算法在TMS320VC5416上实时性实现的能力：占用程序存储空间为57.2 KB，数据存储空间为12.8 KB；编码算法复杂度约为18.50 MIPS，解码复杂度约为2.97 MIPS；编解码全双工计算时延小于10 ms，压缩比为16:1。G.729编码器在定点DSP上的实时实现，产生出了性能价格比极高的语音编解码系统，在数字通信、保密通信、数字卫星系统、数字电路倍增设备、多媒体通信等领域有着较广泛的应用。

参考文献

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[2] 清源科技.TMS320C54x DSP硬件开发教程[M].北京:机械工业出版社,2003.

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[4] 胡广书.数字信号处理理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2003.

[5] 丁玉美,高西全,彭学愚.数字信号处理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1994．