基于DSP的G．729语音编解码器设计

3．2 编解码算法优化
G．729算法是经过长时间不断的研究与讨论，最终制定出的一个标准算法，对算法本身再进行大幅度优化是很困难的。不过，可以在算法的细节和具体实现方法上进行精简。
3．2．1 码本搜索算法精简
在10维LSP量化码本搜索中，需要找到一个码矢量，使得它与输入矢量的均方误差最小，如式(1)所示。

在ITU提供的标准算法中，程序每次搜索时，先计算完本次的均方误差，然后再与之前的最小值进行比较。实际上，如果本次未计算完的均方误差已经大于之前保存的最小值时，可以直接停止本次计算进入到下一次计算中，这样能节省大量乘和累加运算。

图3是该算法精简后的流程图。

实验证明，在10帧语音信号的编码过程中，这部分算法优化后平均可减少15 000次左右的L_mac运算的调用。
3．2．2 去除不必要的溢出判断
使用CCS中的profiler工具对ITU提供的标准C源码进行分析，结果表明，该算法大部分运算都集中在basic_op．c文件中的L_add()、L_mult()等几个基本函数上。进一步分析发现，这些函数在溢出判断上花费了大量的时间，而实际运算中真正会产生溢出的地方非常少。因此，为了进一步提高代码效率，在完全不会产生溢出的地方用简单的基本运算取代函数的调用，这样即能大大缩短运算时间，还能节省调用函数的开销。例如：

这段程序中，由于-215≤a[i]≤215-1，-215≤b[i]≤215-1，那么a[i]*b[19-i]显然不会超出区间[-231，231-1]，即这一部分不会产生溢出问题，因此这里的L_mult函数便可简单替换为：

这虽是一段极小的程序，但经过这样简单的置换后却能减少数十个时钟周期。在整个代码中类似的例子很多，优化后的效果非常明显。
3．2．3 循环优化
对循环的优化一直是代码优化的重点，一般的循环优化包括：循环合并、循环展开、循环内部的指令尽可能移到循环外等。这些方法在文献中有详细的介绍，这里就不再赘述。TMS320C54X系列芯片采用6级流水线结构，可以并行执行多条指令，并在一定条件下可以实现零开销循环处理。
所谓零开销循环是指处理器在执行循环时，不用在循环终止的判断、循环的跳转及循环计数器的递减上额外花费时间。但这就要求编译器必须知道初始值、更新和结束条件；循环体内部不能调用函数；循环体内不能包含break语句；循环表达式中不能含有随循环体中的条件变化而变化的循环变量；循环计数应该递减等。为了实现零开销循环，本文对标准C代码进行了大量优化，如在文件Qua_lsp．c中有如下循环：

优化前后本段代码所消耗的时钟周期数对比见表1。

3．2．4 使用DSPLIB库优化
TMS320C54X系列提供的通用数字信号处理算法库(DSPLIB库)包含有50多个通用的信号处理程序，全部由汇编语言编写，并可由C语言调用，方便C语言与汇编语言混合编程。在计算量大、对实时性要求又高的G．729中调用DSPLIB库函数，对于提高代码效率具有很大的意义。
DSPLIB几乎包括了当前已经成熟的数字信号处理的大部分算法。如：FFT运算、滤波与卷积运算、自适应滤波运算、相关运算、数学函数运算、三角函数运算、矩阵运算等。
3．2．5 指针寻址
在G．729算法中包含了大量数组元素的存取操作，ITU提供的标准代码直接对数组进行操作，使得浪在地址计算上的时间开销很大。若对数组采用指针寻址方式，可节省很多时间。而通常情况下数组又都应用在循环内部，指针寻址方式更加凸显出了它的必要性。
除了以上几种优化方法外，使用内联函数，合理利用暂存器，使用宏定义等也都对代码的优化起到很好的作用。

4 测试结果及性能分析
利用CCS提供的性能分析工具(profiler)对优化前后的代码进行分析，在TMS320VC5416上实现一帧数据编码所用的时间分别为96 ms与8 ms，其中TMS320VC5416的CPU时钟频率为160 MHz。对几个主要函数优化前后的运行时间进行比较，对比如表2所示。

分析结果表明，优化后的时间比优化前大大缩短，并严格控制在了10 ms以内，保证了系统的实时性。同时，将原始语音和重建语音的语音波形进行对比，如图4所示。观察对比波形可知，编码前后语音波形差别很小，重建语音基本保持了原始语音的信息。通过主观听觉测试，重建语音清晰易懂，质量较高，MOS主观评分在4．0以上，并且整个系统运行稳定。

5 结语
本文实现了基于DSP的语音编译码器设计，该设计对ITU提供的G．729源代码进行了算法精简和代码优化，优化后的代码具有编码效率高、占用资源少、实时性强等优点。与源代码相比，它的编码效率提高了10倍以上，克服了源代码难以应用在实时语音通信系统的缺点。
目前，该设计已经应用在本实验室的语音通信实验系统中，与传统语音实验系统相比，为学生提供了更先进的语音编码实验，模块化的软件设计也更适合学生的参与。同时，该系统采用通用的DSP硬件平台，具有可扩展性强的特点，可实现多种语音编码算法，为学生自主性学习提供了良好的条件。