G.729编码算法介绍 G.729解码算法介绍

3.难点的解决

数据在DSp中的安排。维护好一张变量表,每次进入一个模块时,首先使用已经分配但暂时不用的变量。只在不够的情形下,再去分配额外的变量,同时将这些新分配的变量计入到变量表中,供其它模块使用。另外维护好一个局部变量堆栈,使得各个模块的内部局部变量分配在堆栈中,当从该模块退出时,就从堆栈中弹出这些局部变量,释放空间。

数据精度的处理。对精度要求比较高的地方,将计算的中间变量采用32位来表示,运算结束后,再转换成16位表示,这样指令条数增加不多,但精度却大大提高了。在某些精度要求比较高的模块,采用尾数和指数来表示浮点数,自己编写一套指数和尾数的运算库,由于尾数和指数表示法有足够大的精度范围,完全满足要求。但只能在少许地方采用这种方法,否则运算量就会上去,给实时实现带来困难。

有限计算资源的利用。利用ADSp强大的多功能指令可以非常好地利用有限计算资源。

DSJp高速运行时,DSp与主机的数据交互。由于ADSp-2181具有一个16位的IDMA口,在处理器全速运行的情况下,ADSp-2181可以自动完成IDMA口的接收和发送数据,这为系统的设计带来了很大的便利。利用ADSp-2181的这个性质,我们通过IDMA口来实现ADSp-2181与主CpU的数据交互。

语音信号和编解码缓冲区的维护。本系统的数据交互都是采用双缓冲的工作方式。双缓冲的好处在于数据的交互不会影响到其他工作的正常进行。

本系统的数据采集与播放采用双缓冲的工作方式。采集时采用cod-ad和cod-work两个缓冲区,播放时采用decod-work和decod-work两个缓冲区。cod-ad用于ADSp-2181的串口数据采集,cod-work用于ADSp-2181的编码。当cod-ad采完一帧数据后与cod-work互换。decod-work用于ADSp-2181的串口数据播放,decod-work用于ADSp-2181的解码。当播放完一帧数据后,decod-ad与decod-work互换。采集与播放程序放在ADSp-2181的中断服务程序中。本系统只开放ADSp-2181的接收中断,ADSp-2181每接收一个数据,同时就播放一个数据。

另外G.729的编码器的编码数据和解码器的解码数据都有两个缓冲区,缓冲区的工作原理与数据采集和播放的双缓冲区的工作原理相同。

综上所述,ITU-T的G.729协议是一个ITU-T的8Kbps语音编解码协议,它具有高音质和低延时的特点。软件设计主要包括三个部分：命令解释器、G.729数据引擎、接口功能模块。我们用ADSp-2181实时实现了G.729协议,在ADSp-2181的数据采集／播放和ADSp-2181与主CpU接口的数据交互方面都采用了双缓冲方式。硬件设计主要是通过ADSp-2181的IDMA口,来实现主CpU与ADSp-2181的数据交互。

针对实时实现G.729的一些难点,我们提出了一系列解决的方法,通过这些解决方法,我们已经在AnalogDevice的定点数字处理芯片ADSp-2181上实时实现了符合ITU-TG.729的全部功能,并且已经通过了ITU-TG.729的全部测试矢量。该编解码器已经在数字语音记录仪和H.323网上多媒体通信系统中推广应用。

在TMS320C6x系列DSp上G.729A算法的优化

1.引言

语音通信是现代多媒体通信中一个重要的组成部分，语音压缩又是实现低速率语音通信的关键技术。国际电信联盟（ITU）于1996年提出了一种共轭结构代数码激励线性预测（CS-ACELp）的语音编码算法—G.729。该算法在8kbits码率下具有较好的语音编码质量，且延迟较短，因此在Ip电话、移动通信、多媒体网络通信以及各种手持设备中具有广泛应用。G.729A是在G.729基础上进行了一部分简化，使得编码的复杂度降低，对硬件的要求更低，而编码质量并没有明显降低[1][2][3]。

2.G.729A的DSp软件开发流程

在编写和调试C6000程序时，为了使C6000代码获得最好的性能，我们需要按照软件编程的3个阶段进行，每个阶段完成的任务如下[4]：

第一阶段：开始可以不考虑C6000的有关知识，完全根据任务编写C语言程序。在CCS环境下用C6000的代码产生工具，编译产生在C6000内运行的代码，证明其功能正确。然后再用CCS的调试工具，如debug和profiler等，分析确定代码可能存在的、影响性能的低效率段。为进一步改进代码性能，需要进入第二阶段。

第二阶段：利用内联函数、CCS编译选项和其他具体优化方法改进C语言程序。重复第一阶段，检查所产生的C6000代码性能。如果产生的代码仍不能达到所期望的性能，则进入第三阶段。

第三阶段：从C语言程序中抽出对性能影响很大的程序段，用线性汇编重新编写，再用汇编优化器优化，链接，直到达到所期望的性能要求。

具体到G.729A标准编解码器的实时要求，第三阶段是工作的重点，而且线性汇编的重新编写要求对程序代码和DSp的特性有充分的了解。

3.G.729A代码的剖析

CCS集成开发环境为软件开发人员提供了高效的开发、调试工具。特别是它提供了评价器（profiler）的优化工具，通过收集在指定代码区间程序执行的统计性能，分析确定程序中各个段、各个子函数所花费的处理器时间，从而把程序的优化集中在对程序性能影响最大的代码段上去[5]。其两种不同的测试方法是：

（1）在需要测定复杂度的程序段的开头和结尾处设定两个断点，打开时钟窗口，运行程序。在第一个断点处执行停止，这时双击时钟窗口使之清0，接着继续执行程序，在第二个断点处停止，这时，时钟窗口显示的值便是该段代码的复杂度。这在测试程序中一个函数的复杂度是非常有用的。

（2）先打开统计窗口，在需要测试的程序段头尾设置统计点（（probepoint）。程序运行结束后，统计窗口内该程序段后面的统计值便是该代码段的复杂度。这种方法较简单，统计点自动收集统计信息，无需手工干涉，这在测定程序多段代码的复杂度是非常有用。

4.线性汇编的优化

线性汇编是TI提供的一种汇编语言，其指令系统和汇编语言的指令系统完全相同，但在编写时不需要指定寄存器和操作单元，也不需要考虑延时的问题，因此编写线性汇编相对要容易一些[6]。

经过第一阶段和第二阶段的优化后，音频编码程序在DM642上的运行状况有了很大改善，但是经测试仍然没有到达实时效果，而高级语言的效率几乎发挥到了极致，测试的速度达到了36.5帧/s，是未优化之前的10倍。这时，我们采用线性汇编语言重新编写C代码的低效率段程序，进一步提高程序的执行效率和充分利用DM642的硬件资源，最终按设计要求在DM642实时实现G.729A编码。在前面的DSp开发流程已经提过，DSp开发的最后一个手段是用汇编重写C代码，它是唯一可以既提高程序执行速度又可以减少程序体积的方法。由于针对并行处理器编写汇编的难度很大，一般采取的是混合编程的方法，即程序的主要部分用C代码，部分耗时较大的函数可以用线性汇编改写。

在编写线性汇编优化代码的过程中，为了提高代码执行效率，我们需要遵循以下原则[7]：

（1）写并行代码：通过使用汇编指令并行执行的方法减少循环内的执行周期数，优化线性汇编代码。这里的关键问题是弄清指令相关性，只有不相关的指令才能并行执行。辨别指令是否相关，可以使用相关图。

（2）处理跳转指令和转移指令：汇编程序的一大特点就是频繁地跳转，当满足不同的条件时，要求程序进行不同的操作，或跳到相应的位置。对于“大于”、“大于等于”、“小于”、“小于等于”等较为接近的逻辑判断和处理，应慎重对待，否则将产生逻辑性错误，并且很难调试。当发生溢出需进行相应处理时，这种现象尤为突出。

（3）尽量减少循环体内的指令数：G.729A的算法实现，有许多是在循环内部完成的，有些地方如固定码本搜索过程中，为了确定四个非0脉冲的位置和幅度，还用到了多重循环。在循环内部，特别是在嵌套较深的循环内部，减少一条指令可以大大降低程序的操作次数。例如，对于一个每重循环8次的四重嵌套循环，在最内层循环每减少一条指令，整个程序可以少执行84=4096语句。因此在设计程序时，能够放在循环体外执行的语句，尽量放在循环体外执行。

（4）展开程序体：在一定条件下，尽量展开程序，以减少子程序的调用和返回次数，牺牲空间换取时间。

G.729A算法中的LpC模块、LSp量化及激励码本搜索耗时最多，为进一步提高代码效率，对相关计算、FIR滤波等部分函数用线性汇编语言进行了改写，并用画相关图等方法有针对性的进行优化。经汇编优化器优化后，代码效率比C语言直接编译有明显提高。

5.优化工作的创新点

在对G.729A的优化中，本文在前人研究成果的基础上，针对TMS320DM642DSp系列芯片提出了一些有价值的新方法。这些创新点在不同程度上提高了代码的优化速度和执行效率，在语音编解码的DSp实时实现中起到了关键性作用。下面，以举例的方式阐明一些经典的方法。

5.1绘制分析图，掌握函数结构

对于一个语句较多、结构复杂的函数，为了充分了解其逻辑结构和语句的相关性，我们通常采用画分析图的方法。分析图的形式比较灵活，可以根据具体的情况选用不同的制图工具。在编写线性汇编的时候，需要考虑存取数组中的元素，数据打包操作和数据相关性等问题，分析图有助于正确处理这些问题。

在对函数Cor_h_X（）优化过程中，我们遇到了一定的困难，原因在于其中有一个双层的循环体，内层的次数与外层有关，外层的循环次数为40，并且循环内部的语句有先后的相关性。这样的结构如果用循环展开的方法将会用到大量的寄存器，数目超出了64个，需要开辟额外的内存空间去存放临时变量，而读写内存会消耗较多的时间，因此这样执行效率不会有充分的提高。对此，我们利用分析图描述了函数中关键代码的数组X[]，h[]的使用情况，如图1所示：