高速G,729ab聲碼器設計及其在媒體網(wǎng)關(guān)中的應用

　　在VoIP媒體網(wǎng)關(guān)設備中，語音壓縮編碼是其關(guān)鍵技術(shù)之一。在ITU-T發(fā)布的應用于VoIP的語音壓縮編解碼標準中，G．729是應用較為廣泛的一種。G．729采用“共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預測編碼” (CS-ACELP)算法，算法幀長為lO ms，編碼后速率為8 Kb／s。G．729有兩個附件：附件A給出一種低復雜度的算法，可應用于多媒體同步語音和數(shù)據(jù)；附件B在標準算法的基礎上增加了靜音檢測壓縮算法以降低平均傳輸率，包括靜音檢測(VAD)和舒適噪音產(chǎn)生(CNG)。文獻對G．729語音壓縮編碼算法的具體原理中有詳盡的描述，本文的論述重點在算法的匯語言優(yōu)化、聲碼器的DSP硬件接口設計，以及其在媒體網(wǎng)關(guān)中的應用。

　　1 G．729ab編解碼核心算法優(yōu)化

　　本文選擇TI公司的TMS320C6203芯片為核心，實現(xiàn)G．729ab聲碼器設計。TMS320C62xx系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境Code Composer Studio(簡稱CCS)支持標準C語言和匯編混合編程的方式編程，為了提高編解碼算法的效率，本文對ITU_T的標準G．729ab的C語言原碼進行匯編指令優(yōu)化設計。同時，對于上層編解碼器控制函數(shù)，采用C語言開發(fā)，以提高聲碼器的可維護性。

　　C62xx采用6級流水線結(jié)構(gòu)，提供了A，B兩組(共32個)通用寄存器，8個功能單元(．L1，．L2，．S1，．S2，．M1，．M2，．D1 和．D2)，最多同時可以有8條指令處在不同的執(zhí)行階段并行。流水線結(jié)構(gòu)是DSP實現(xiàn)高速運算的重要技術(shù)。由于不同指令的指令周期不同，需要在多周期指令后插入足夠的NOP(空操作)指令，以避免流水線沖突。

　　在G．729ab的標準C代碼中，有大量的循環(huán)體。循環(huán)控制的關(guān)鍵跳轉(zhuǎn)指令B，需要等待5個指令周期，大量的NOP操作將降低代碼的效率。為了提高循環(huán)效率，可以合理安排指令順序，在一個匯編循環(huán)體內(nèi)完成多個C循環(huán)的運算的流水線操作。用匯編指令實現(xiàn)如下簡單的for循環(huán)求信號能量的程序段為例：

　　上述示例可使用如下匯編程序段實現(xiàn)：

　　如上優(yōu)化后，循環(huán)體LOOP僅為一個周期，在這一個周期中有6條并行運行的指令。其中，內(nèi)存讀取指令LDFI需4個周期，故乘法指令SMPY是將向前追溯 4個循環(huán)周期的內(nèi)存讀取結(jié)果相乘。同理，SMPY指令需2個周期，故SADD指令是將2個循環(huán)周期之前的相乘結(jié)果相加。B0和A1配合用于循環(huán)控制，在等待跳轉(zhuǎn)指令B有效的5個延時周期內(nèi)，依次進行隨后的后一循環(huán)的取數(shù)，前第3個循環(huán)的相乘，前一個循環(huán)的求和、循環(huán)控制和跳轉(zhuǎn)指令，依次類推。上述優(yōu)化實現(xiàn)了最優(yōu)循環(huán)效率。
本設計優(yōu)化后核心編解碼算法代碼完全符合ITUT G．729ab標準，并通過了ITU-T的所有測試矢量。使用300 MHz主頻的TMS320C6203實現(xiàn)聲碼器，單片可支持31路G．729ab算法。

　　2 聲碼器的DSP硬件接口設計

　　在媒體網(wǎng)關(guān)中，聲碼器的功能是實現(xiàn)PSTN的E1語音信號和數(shù)據(jù)網(wǎng)分組語音壓縮信號之間的編解碼轉(zhuǎn)化。利用TMS320C6203片內(nèi)固化設置的 McBSP接口(多通道緩存串行接口)與HPI接口(主處理器接口)，可以實現(xiàn)DSP與E1總線、以及數(shù)據(jù)網(wǎng)上層處理器的連接。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　TM320C6203通過內(nèi)置McBSP與EDMA(Enhanced Directory Memory Access，增強型直接內(nèi)存訪問)控制器配合，可實現(xiàn)與E1標準接口的鏈接。設置McBSP的接收／發(fā)送控制寄存器(R／XCR)，使串口按照標準E1 數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)收發(fā)；設置串口管腳控制寄存器(PCR)，控制串口采用外部E1總線的時鐘和幀同步信號；設置串口控制寄存器(SPCR)，控制串口的 R／XINT(收／發(fā)中斷)由EDMA響應。

　　TMS320C6203支持16個EDMA通道，其12～15通道可用于響應串口收、發(fā)中斷。以串口接收數(shù)據(jù)為例：本設計中設計了乒、乓兩個串口數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)。

　　串口寄存器中的數(shù)據(jù)通過EDMA模式緩存到乒緩存區(qū)，當乒緩存區(qū)滿時，EDMA參數(shù)重載，控制切換，將數(shù)據(jù)緩存至乓緩存區(qū)，同時給出EDMA中斷，通知CPU讀取一幀數(shù)據(jù)。通過McBSP接口發(fā)送數(shù)據(jù)的過程完全類似。
聲碼器通過DSP的HPI接口與上層處理器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)分組語音壓縮信號的收發(fā)。在HPI接口中，設計了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送／接收緩存區(qū)，并為每個緩存區(qū)設計了RP(Read Pointer，讀指針)和WP(Write Pointer，寫指針)，用于控制上層處理器和DSP之間的編碼數(shù)據(jù)交互。同時上層處理器通過HPI接口向聲碼器發(fā)送指令，控制通道的打開或關(guān)閉。

　　3 在媒體網(wǎng)關(guān)中的應用設計

　　聲碼器內(nèi)部的主控程序采用定時中斷方式訪問HPI接口，根據(jù)上層處理器的指令打開或關(guān)閉通道。同時主程序使用輪詢方式處理從E1接口來的PCM話音信號；根據(jù)相應的通道工作狀態(tài)設置編解碼算法參數(shù)，將話音信號壓縮編碼；編碼后的語音數(shù)據(jù)，通過HPI接口輸出到上層處理器，進入數(shù)字網(wǎng)絡。使用完全類似的輪詢處理方式，逆向處理從來自數(shù)字網(wǎng)絡的編碼數(shù)據(jù)。
由于數(shù)字網(wǎng)絡屬于分組通信，必須有合適的多媒體實時流網(wǎng)絡傳輸協(xié)議以保證語音的連貫性。在聲碼器的HPI接口控制程序中，設計了一個提供給上層處理器的 RTP(Real-TIme Transport Protocol，實時傳輸協(xié)議)接口，用于完成編碼和解碼數(shù)據(jù)包的輸出和輸入及相應的RTP成幀、解幀功能，具體功能設計如下：

　　RTP打包和發(fā)送：RTP包由具有固定格式的包頭和數(shù)據(jù)部分組成。將編碼后的語音數(shù)據(jù)，按照RTP打包參數(shù)的要求組織RTP頭和RTP凈荷。 RTP包頭中的關(guān)鍵字段為SN(Sequence Number，序列號)和TS(Time Stamp，時間戳)。SN用于對RTP包進行排序。每發(fā)送一個RTP數(shù)據(jù)包，SN加1。TS用于標識RTP數(shù)據(jù)包中第一個字節(jié)采樣時的時刻，以語音樣本為單位遞增；對于語音包和靜音壓縮包，TS增值一致。另外，RTP包頭中的PT(Payload Type，負載類型)字段用于指示RTP凈荷的數(shù)據(jù)編碼格式。在RFC3550中規(guī)定了標準音頻載荷類型：G．729編碼對應的PT為18。

　　由于RTP包頭中沒有長度字段，故對RTP包進行了外部擴展：將打好的RTP包作為凈荷，附加上RTP包數(shù)據(jù)長度、通道號，組成“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包”。針對C6203的32位尋址的HPI總線接口，設計以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包格式如圖2所示。

　　RTP包發(fā)送：即寫“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包”至“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送緩存區(qū)”。首先根據(jù)該緩存區(qū)的讀寫指針判斷剩余空間；如寫空間不夠，則放棄此次寫操作，該數(shù)據(jù)包同時被丟棄。如寫空間足夠，則將數(shù)據(jù)包寫入發(fā)送緩存區(qū)，并更新寫指針。上層處理器根據(jù)該緩存區(qū)的讀寫指針判斷該緩存區(qū)內(nèi)是否有新數(shù)據(jù)，并進行讀操作，以及更新讀指針。

　　RTP包接收、排序和緩存：分組通信需要考慮語音的防抖動處理。本文通過設置靜態(tài)抖動緩沖區(qū)實現(xiàn)去抖動。首先根據(jù)“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)”的讀寫指針判斷是否有新的數(shù)據(jù)包到來，如果有，則將該數(shù)據(jù)包根據(jù)RTP的SN和TS排列在相應通道的RTP緩存隊列中。重復上述過程直至將“以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)”中所有的數(shù)據(jù)包讀完，然后更新該緩存區(qū)的DSP讀指針。對于每個通道的RTP緩存隊列，當緩存語音數(shù)據(jù)到達預先定義的閾值K時，給出標志允許該通道開始進行語音數(shù)據(jù)解碼。如果數(shù)據(jù)分組有抖動延遲，則解碼語音可繼續(xù)保持K時間單位不被打斷。

　　4 結(jié)語

　　在純匯編并行優(yōu)化的基礎上設計了高效的G．729ab聲碼器；利用TMS320C6203的在片外設McBSP實現(xiàn)了連接PSTN的標準E1接口；設計了用于分組數(shù)據(jù)收發(fā)的RTP協(xié)議接口，利用TMS320C6203的HPI接口方式與上層處理器連接，使聲碼器可靈活應用于媒體網(wǎng)關(guān)。