单 片DSP 实 现G.729A 语 音 编 解 码 器

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单 片DSP 实 现G.729A 语 音 编 解 码 器 [复制链接]

国 际 电 信 联 盟（ITU） 于1995 年11 月 推 出 的 建 议G.729 称 作" 共 轭 结 构 代 数 码 本 激 励 线 性 预 测 编 码 方 案"（CS －ACELP）。 它 将64kbps 的PCM 信 号 压 缩 到8kbps， 是 当 前 较 新 的 语 音 压 缩 国 际 标 准。 其 简 化 方 案G.729A 进 一 步 降 低 了 计 算 的 复 杂 度。G.729 和G.729A 具 有 非 常 好 的 性 能， 在 良 好 的 信 道 条 件 下 达 到 了 长 话 质 量， 在 有 随 机 比 特 误 码、 发 生 帧 丢 失 和 多 次 转 接 等 情 况 下 有 很 好 的 稳 健 性。 因 此， 该 标 准 有 广 泛 的 应 用 前 景。 ---- G.729 编 解 码 原 理
---- G.729 算 法 以 码 本 激 励 线 性 预 测（CELP） 方 法 为 基 础。CELP 算 法 综 合 了 波 形 编 码 和 参 数 编 码 的 优 点， 以 自 适 应 预 测 编 码 技 术 为 基 础， 采 用 了 矢 量 量 化、 合 成 分 析 和 感 觉 加 权 等 技 术。
---- G.729 对CELP 算 法 作 了 进 一 步 的 完 善。 编 码 器（ 见 图1） 对10ms 长 的 语 音 帧 进 行 处 理， 每 帧 分 为2 个 子 帧。 输 入 语 音 首 先 要 在 预 处 理 模 块 中 经 过 高 通 滤 波 和 幅 度 压 缩 变 换。 每 帧 进 行 一 次 线 性 预 测（LP） 分 析， 并 将LPC 参 数 转 换 到 线 谱 对（LSP） 形 式 进 行 预 测 式2 阶 段 矢 量 量 化（VQ）。 然 后 使 用 分 析 合 成 法， 按 照 合 成 信 号 和 原 始 信 号 间 的 感 觉 加 权 失 真 最 小 的 准 则 来 提 取 的 激 励 参 数。 激 励 参 数（ 包 括 固 定 码 本 和 自 适 应 码 本 参 数） 要 每 子 帧（5ms） 计 算 一 次。 每 帧 要 利 用 感 觉 加 权 语 音 进 行 一 次 开 环 的 基 音 延 时 的 估 计。 然 后 进 行 闭 环 的 基 音 分 析， 确 定 自 适 应 码 本 的 延 时 和 增 益。 然 后 再 进 行 固 定 码 本 的 搜 索。 固 定 码 本 是 基 于 一 种 代 数 码 本 结 构， 使 用 交 织 单 脉 冲 排 列 设 计。 在G.729A 中 采 用 迭 代 式 深 度 优 先 树 形 搜 索 算 法。 这 种 算 法 的 运 算 量 比 较 小， 并 且 具 有 固 定 的 预 算 复 杂 度。 比 较 有 利 于DSP 实 现。 自 适 应 码 本 和 固 定 码 本 的 增 益 采 用 了 预 测 式 两 阶 段 共 轭 结 构 码 本 进 行 矢 量 量 化。
---- 图2 显 示 了 解 码 算 法 的 框 图。 首 先 要 从 码 流 中 提 取LSP 系 数、 两 个 分 数 基 音 延 时、 两 个 固 定 码 本 矢 量 以 及2 套 自 适 应 码 本 和 固 定 码 本 增 益 等 参 数。 然 后， 对LSP 系 数 进 行 插 值 并 转 换 到 线 性 预 测 滤 波 器 系 数 的 形 式。 接 下 来， 按 照 下 面 的 步 骤 先 后 合 成 两 个 子 帧 的 信 号：1. 将 自 适 应 码 本 矢 量 和 固 定 码 本 矢 量 乘 以 各 自 的 增 益 并 相 加 求 得 激 励 信 号；2. 使 激 励 信 号 通 过 线 性 预 测 合 成 滤 波 器 获 得 合 成 语 音。 最 后 对 合 成 语 音 进 行 后 处 理。 包 括 一 个 用 来 提 高 合 成 语 音 质 量 的 基 于 长 时 和 短 时 合 成 滤 波 器 的 自 适 应 后 滤 波 器 和 一 个 高 通 滤 波 器。
---- 在DSP 上 实 时 实 现G.729A
---- 我 们 使 用TI 公 司'C2xx 系 列DSP 芯 片 来 实 现G.729A 算 法 并 加 入 回 声 抵 消 和 自 主 同 步 的 功 能。'C2xx 系 列 的DSP 芯 片 的 价 格 非 常 便 宜， 且 代 码 和'C5x， 'C54x 系 列 兼 容， 可 以 利 用 转 换 程 序 自 动 移 植。 这 一 系 列 的F206 芯 片 具 有32k 字Flash Memory 和4k 字RAM 可 以 满 足 程 序 的 全 部 内 存 要 求， 实 现 单 片 的 语 音 编 解 码 器。
---- 按 照 功 能 可 将 实 时 语 音 编 解 码 器 划 分 成 图3 所 示 的 几 个 模 块。 各 个 模 块 的 功 能 如 下：
---- 1. 同 步 控 制 模 块
---- 同 步 控 制 模 块 负 责 管 理 各 个 缓 冲 区 对 外 的 数 据 收 发， 在 数 据 准 备 好 时 调 用 相 应 的 模 块 对 数 据 进 行 及 时 的 处 理。 保 证 缓 冲 区 数 据 与 模 块 运 行 的 同 步， 以 及 各 个 模 块 之 间 的 同 步 关 系。 并 保 证 通 信 双 方 之 间 的 同 步。
---- 2. 编 码 器/ 解 码 器 模 块
---- 编 码 器/ 解 码 器 模 块 完 成 编 码、 解 码 的 功 能， 并 将 编 解 码 器 的 输 出 数 据 写 入 相 应 的 缓 冲 区。
---- 3. 回 声 抵 消 器 模 块
---- 回 声 抵 消 模 块 的 输 入 是64kbps 信 道 的 一 帧 输 入 数 据 和 以 前 解 码 器 输 出 的 一 段 合 成 语 音。 回 声 抵 消 器 利 用 解 码 器 输 出 的 合 成 语 音 信 号 对 一 帧 输 入 信 号 进 行 回 声 抵 消， 然 后 将 抵 消 掉 回 声 的 一 帧 输 入 语 音 信 号 提 供 给 编 码 器 作 为 输 入 信 号。
---- 在 单 片TMS320F206 芯 片 上 实 现G.729A 标 准， 具 有 以 下 特 点：
---- 1. 兼 容 性
---- G.729A 算 法 的 这 一DSP 实 现 严 格 按 照G.729A 标 准， 与 标 准 比 特 兼 容， 通 过 了 全 部 测 试 序 列。
---- 程 序 与TMS320C5x 信 号TMS320C54x 系 列 兼 容， 移 植 方 便。
---- 2. 运 算 量
---- 在 不 加 入 回 声 抵 消 的 情 况 下， 编 解 码 器 的 运 算 量 约 为22MIPS（ 使 用TMS320F206 芯 片）。
---- 3. 存 储 量
---- G.729a 算 法 所 用 的 存 储 量 是 比 较 大 的， 具 体 情 况 见 表1。 另 外， 全 部 程 序 和 数 据 表 格 分 别 要 占 用9211 字 和2854 字 的 程 序 区ROM。

表1 程 序 存 储 量（ 单 位： 字）

编 码 器	解 码 器	回 声 抵 消	同 步 捕 捉	总 计
数 据 存 储 量	926	917	162	30	2035

---- 由 于F206 芯 片 有32k 字Flash Memory 和4k 字RAM 所 以 完 全 可 以 满 足 全 部 的 内 存 要 求， 不 必 外 加ROM 和RAM 电 路， 节 省 电 路 板 的 空 间。
---- 4. 同 步 时 间
---- 在 没 有 外 加 同 步 信 号 的 情 况 下， 在 每 帧 中 使 用1 比 特 作 为 同 步 位， 其 平 均 同 步 捕 捉 时 间 为8.46 帧。