G.729A语音编码TMS320VC5416实时实现

近二十年来，全球半导体产业的飞速发展带动相关的软件、硬件设计达到新的水平，使得很多比较复杂的数字信号处理算法可以实时实现并且得到广泛应用。突出的代表就是数字信号处理器（DSP）与语音信号压缩编码算法相结合，并且在日常通信系统中得到广泛应用，例如数字移动电话、IP电话等。随着网络通信的发展、微处理器和信号处理专用芯片的发展，也为语音处理技术的应用提供了更加广阔的平台。所有这些因素都促进了对更加有效、可靠、高质量的语音编码系统的需要，从而促进了语音编码技术的持续发展。在最近一些年内，语音压缩编码技术有了很大的发展。最早的标准化语音编码标准是70年代CCITT公布的G.711 64kb/s脉冲编码调制PCM。此后ITU又先后公布了G.721 32kb/s自适应差分编码（ADPCM）、G.728 16kb/s短延时码本激励线性预测编码（LD-CELP）。此外还有一些政府和组织制定的语音标准，例如用于西欧数字移动通信的13kb/s具有长时预测规则码激励（RPE-LPT）的线性预测方案，北美数字移动通信标准8kb/s矢量和激励线性预测（VSELP）方案等。1999年欧洲通信标准协会（ETSI）推出了基于码激励线性预测编码（CELP）的第三代移动通信语音编码标准自适应多速率语音编码器（AMR），其中最低速率为4.75kb/s，达到通信质量。1995年ITU公布G.723.1，编码算法有两种，5.3kb/s的ACELP和6.3kb/s的MP－MLQ算法，主要用于IP电话。1996年ITU公布了G.728 8kb/s的CS－ACELP算法，可以用于IP电话、卫星通信、语音存储等多个领域。目前，ITU正在致力于制定4kb/s的语音编码国际标准，该算法将达到长途质量。针对一些特殊应用，如保密通信、军用通信、应急通信等，许多国际组织、国家也研制了各种不同速率的语音压缩编码速率，例如美国政府为保密通信用开发的2.4和1.2kb/s MELP算法。我国近几年也研制了0.6、1.2、2.4kb/s及其它速率语音压缩编码算法，达到并且超过了国外同速率编码的质量。

DSP在近20年内一直在高速发展，运算能力不断提高，片上资源和接口更加丰富，而单位运算所需功耗不断降低。下面给出几个主要厂家的DSP产品。

TI的DSP主要有四大系列：

C5000系列（定点，低功耗）：适合

个人与便携上网及无线通信应用。80－400MIPS。

C2000系列（定点，控制器）：针对
控制进行优化的DSP。

C6000系列（高性能）：适合宽带
网络和数字影像应用。

OMAP系列（双核芯片）：适合低
功耗移动设备和多媒体PDA。

ADI的DSP主要有四大系列：

21xx系列：16定点DSP，内部REM
大，外围接口多，适合作为控制类芯片使用。

SHARC系列：32位浮点DSP，21160 21161提供与大内存容量结合的简单浮点算法，具有高水平的浮点性能。

TigerSHARC系列：比SHARC具
有更高的浮点运算功能TS101，TS201

Blackfin系列：高性能16位DSP
信号处理与通用微控制器易使用的性能结合。

Motolora的DSP：

DSP56800,16BIT定点DSP，通用型DSP。

DSP563XX,24bit定点DSP, 通用型DSP。

本文将介绍使用TI公司C5000系列实现ITU-T G.729A 8kb/s CS-ACELP语音压缩编码算法，并对TI公司的TMS320C54x系列DSPITU-T G.729A语音编码算法做简单介绍，以及软件编程、调试和实现结果。



图1 C54xDSP结构框图（略）

TMS320 C54x系列DSP芯片简介及硬件设计

TMS320 C54x系列DSP芯片是使用静态CMOS技术制造的。其方框图见图1，从图中可以看出C54x系列DSP芯片具有以下功能单元：

总线

C54x共有八条总线分别是：

PB： 程序读取总线
CB： 数据读取总线1
DB： 数据读取总线2
EB： 数据写入总线
PAB： 程序读取地址总线
CAB： 数据读取地址总线1
DAB： 数据读取地址总线2
EAB： 数据写入地址总线

中央处理器（CPU）

CPU由以下几个部件组成：

先进的多总线结构： 包括三个独立的数据总线和一个程序总线

40位的算术逻辑单元： 包括一个40位移位器和两个独立的40位累加器

17bit 17bit的并行乘法器同一个专用的加法器相配合： 用来执行不经流水线的单周期乘加（MAC）运算

指数译码器： 可以在一个周期里计算出一个40位累加器的指数值

两个地址生成器： 包括8个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元

程序控制器： 对指令进行解码、管理流水线和程序流程

片上存储器

C54x共有192K字的寻址能力（64K字的程序区，64K字的数据区，和64K字的I/O区）。

表1给出了部分C54x芯片的片上资源、运算能力、工作电压等。运算能力用MIPS来度量，即每秒能执行一百万条指令的数量。



片上其它资源

C54x系列中不同产品具有不同的片上外设配置。这些外设有：

软件可编程的等待状态发生器

可编程的库转换

片上锁相环时钟发生器（包括一个内部振荡器或一个外部时钟源）

一个16比特定时器

通用输入输出管脚

同步串行口

异步串行口

C54x系列DSP芯片具有以下主要特点：

采用改进哈佛结构，对程序内存和数据内存使用分离的总线。这样可以同时取指令和操作数，提高了运行效率和通用性

先进的CPU设计和为应用设计的硬件逻辑提高了芯片的性能

为快速的后续发展设计的模块化结构

先进的IC处理技术提供了高性
能和低功耗

采用5V或3V静态CMOS技术
可以进一步降低功耗

Power-down模式可以进一步降
低功耗

能源消耗控制： 使用IDLE1，IDLE2，和IDLE3指令进入Power-down模式
使用CLKOUT-off控制来禁止CLKOUT信号

高度专门的指令结构提供了快速运算和优化的高阶语言操作

单指令循环和块指令循环功能

块内存移动指令提供了更好的程序和数据管理

32位操作数指令

拥有两个或三个操作数读取能力的指令

可以并行存储和并行读取的算术指令

条件存储指令

从中断快速返回的指令 拥有多种片上外设和内存配置方案

40位算术运算器（ALU）

17bit 17bit单周期并行乘法器

六级流水线操作提高程序执行效率

支持比特倒置寻址方式和循环寻址方式。

对于语音压缩编码，通常所需要的DSP运算能力不会超过50个MIPS，程序和数据所占用的容量大约几十K字，AD/DA的精度保持就可以满足使用要求，语音输入输出、信码输入输出各需要一个双向串口。但考虑在通信领域中应用，往往一片DSP不仅要实现语音压缩编解码，还需要实现自适应回声抵消、加解密、信道编解码，甚至基带调制解调算法等。因此我们选用了TMS320VL5416设计硬件平台。AD/DA芯片采用TI公司的TLV320AIC10，它是德州仪器公司（TI）推出的一款通用型低功耗16位A/D、D/A音频接口芯片，适用于语音以及宽带音频处理。采用3.3V或5V供电，片内集成了FIR滤波器，可以达到最高88KHz的采样频率，集成了输入放大器和输出放大器，支持多路芯片串连，提供低功耗、ADC与DAC单独三种工作模式。TLV320AIC10的数字接口采用同步串口方式，可以非常方便的与DSP同步串口（McBSP）相连。FLASH采用SST39VF800A芯片，该芯片有512K 16容量，可以将多种应用程序固化在该芯片中。开机后DSP的加载程序自动将FLASH中的程序拷贝到DSP片上RAM中，以便能够全速运行程序，充分发挥DSP的处理能力。