基于DSP的G.729算法优化实现

张正文，张永杰，王 耿

（湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北 武汉430068）

G.729算法复杂度较大，实时性效果不好，但是随着运算能力很强的DSP快速发展及对各种优化方法的研究，该算法已经成为当前中、低速率语音编码中的主流算法［1］.该算法处理的输入信号需是经8kHz采样编码产生16位线性PCM的语音信号，编码处理后输出速率为8kbps的2进制bit流，压缩比例约为16∶1.在DSP利用该算法处理语音信号时，需由通讯模块对语音信号进行采集及必要的处理，如信号放大、A／D等.编码后的bit流经存储传输后可通过相应的解码程序恢复出高质量的语音信号.目前，G.729编译码器已被广泛用于数据通信的各个领域，如 H.323及IP Phone等［2］.

1 系统设计

系统总体框架图见图1，语音信号通过线路输入或麦克风输入，经TLV320AIC23芯片采集预处理转换，生成符合G.729算法处理的16位的线性PCM.DSP通过片上MCBSP0对TLV320AIC23芯片进行控制，通过MCBSP1与TLV320AIC23芯片进行数据交换.PC机通过JTAG口将程序烧录进DSP，16位的PCM语音信号通过 MCBSP1进入DSP后经压缩编码算法处理生成bit流，bit流经MCBSP1传至外部通信系统或模块，用于传输或存储，在解码端通过相应的G.729算法解码程序还原语音.若是在单片DSP上验证算法的正确性及重构语音质量的失真度，可将bit流经解码程序解码后将数据回传给TLV320AIC23芯片，经D／A及放大后回放重建语音.

图1 系统框架图

1.1 硬件设计

系统搭载在北京达盛公司DSP实验箱上，该实验板DSP最小系统带有JTAG口，配有配套的数据线及仿真器，且有现成电源及语音输入输出口，故硬件设计主要是TLV320AIC23与DSP的接口设计.TLV320AIC23芯片是TI公司推出的一款高性能立体声音频编解码器芯片，内置耳机输出放大器，支持麦克风及线路输入两种输入方式，且对输入和输出都具有可编程的增益调节［3］.TLV320AIC23的ADC和DAC部件高度集成在芯片内部，可以在8～96kHz的频率范围内提供16bit、20bit、24bit和32bit的采样.故语音信号经TLV320AIC23采集后可产生采样率为8kHz的16位线性PCM信号，提供符合算法处理的输入信号.TLV320AIC23的引脚可以分为信号输入输出引脚、控制引脚、数据传输引脚及电源引脚等，其中信号输入输出引脚及电源引脚连接比较简单，参考芯片资料中的典型电路即可连接完成，控制引脚有4个，分别是SCLK、CS、SDIN、MODE，该4管脚主要是用来协调主机DSP对TLV320AIC23的初始化，数据传输引脚有5 个，分 别 是 BCLK、LRCIN、LRCOUT、DIN、DOUT，这些引脚用来与主机DSP进行语音数据的交换.主机DSP的6个多通道缓冲串口引脚也可以分为控制引脚和数据引脚，控制引脚主要是时钟发送接收引脚BCLKX、BCLKR和帧发送接收引脚BFSX、BFSR，数据引脚是BDX、BDR，根据芯片资料及DSP管脚的功能，TLV320AIC23与主机DSP引脚连接设计见图2、图3.

1.2 软件设计

TLV320AIC23芯片的初始化及工作过程都是通过软件控制实现的，DSP接收、处理及发送数据亦是由软件控制.软件设计采用传统的模块化、结构化程序设计思想，程序可分为DSP初始化、MCBSP0与TLV320AIC23芯片通信、MCBSP1与TLV320AIC23芯片的数据交换、G.729编码程序、G.729解码程序等五大模块（图4）.

2 编解码程序设计及优化

2.1 编解码程序设计

编码器处理的对象是每一10ms的语音帧，即80个采样点，每一帧信号又均分为2子帧.对每一帧信号，进行分析提取相关模型及激励参数，对参数进行编码即可.为减少运算中的溢出现象，预处理阶段，将输入信号的幅值进行折半处理，并用截止频率为140Hz的高通滤波过滤低频噪声.线性预测分析阶段，先将样点数据加窗再求自相关系数，并进行60Hz带宽扩展修正自相关系数，然后利用所得系数经Levinson–Durbin算法处理即可得到线性预测系数.为便于量化及插值，须将预测系数转换成线谱对，然后用线谱对系数进行量化与插值，最后又将线谱对系数还原成线性预测系数.加权使用的是未经量化的线性预测系数［4］.自适应码本分析搜索范围是通过开环基因分析得到的，以减少码本搜索复杂度.自适应码本和固定码本搜索对每一子帧都进行.之后，利用下一子帧更新合成滤波器和加权滤波器的参数，最后对所得参数按照一定顺序编码，具体的bit分配见表1.

图4 软件设计流程总体图

解码过程相对简单.首先将参数提取出来，对每一子帧，将线谱对系数进行插值并转化为线性预测系数；然后将自适应码本和固定码本乘上增益后的激励信号，将激励信号通过线性预测合成滤波器重构语音，加上自适应后滤波和高通滤波等后处理完成语音重建.

表1 压缩编码bit分配表

2.2 算法程序优化

为了实现系统的实时性，需对ITU提供的G.729源代码进行系列优化，优化程度可分算法级、C语言级及汇编器级优化.算法级优化主要可进行以下工作.

其一，取消5ms前瞻：在LP分析阶段，原算法中有5ms数据的前瞻，在运算中可将这5ms的数据全部用0来代替，可节省很多计算量.

其二，开环基因搜索采用粗化搜索方式，即在计算相关系数时，将原算法中的搜索步长增加为2，即将

用

代替，其中，k＝20，21，…，143，可节约一半时间，再者由于连续语音数据帧中的基音延时值变化较小，当变化小到一定范围，就可不必搜索，直接用前一帧的值代替.判断的方法是先确定一个比较的阈值η，然后将相关的计算结果与阀值进行比较，只有当计算值大于阈值时才需搜索，其中阈值由一段普通话语音测出.经大量实验，笔者将η设为50 331 604，而每帧的计算值Fi利用线谱对（LSP）系数按公式计算得出：

其中wk取值为0.02，0.04，0.04，0.04，0.04，0.09，0.10，0.05，0.07，0.05，采用 Q15格式表示；lspi（k）是第i帧的第k个系数.

其三，在所有的乘法运算中，舍弃运算结果为0的运算项.

其四，固定码本搜索算法改为脉冲序列重置法：即先将40个可能的脉冲位置依次代入式（1），计算出单个脉冲的贡献值，然后在同一轨道中按照贡献值大小重新排序，选择重置后每个轨道的前四个脉冲位置进行搜索.国外学者Nam Kyu Ha经研究其统计命中率已达95%以上，且该算法搜索次数仅为4×4×4×4×2＝512［5］.

C语言级及汇编器级优化方式主要有：省略不必要的溢出判断；将性质相同的函数排列在一起，利于编译器将其编译成具有平行运算结构的代码；调用循环时，使循环体尽可能短，并且尽量避免转移判断语句；合并指令数较少的函数，如自相关函数、加窗函数等，可节省对堆栈的操作时间；对于指令数与调用次数都较少的函数，在函数名前加一个关键字inline，编译时比较省时，是一种空间换时间的优化手段.在PC机中，算法实现的软件平台是CCS2.0，可以利用一些基于这个平台的成熟的优化方法，如Intrinsic函数的使用、CCS的C／C＋＋编译器的选项打开，编译时采用Release模式，排除Debug信息等，这些优化方法对提高系统性能的影响较大.

3 试验结果

将优化后的程序通过仿真器与JTAG口下载到DSP中，将自己录制的一段语音通过PC机线路输入给TLV320AIC23输入接口，通过该系统编解码后可以还原失真度尚能接受的重建语音，原始语音与重建语音的波形图见图5、图6.若对编解码程序及系统进行一系列深度优化，效果可达更佳，有待进一步努力.

［1］邹 翼.基于DSP的G＿729语音编码的研究与实现［D］.长沙：湖南大学图书馆，2009.

［2］陈明义，龚玉蓉.基于TMS320VC5509DSP通信系统的 G.729算法实现［J］.信息技术，2007（2）：95－96.

［3］Stereo Audio CODEC，8to 96kHz，With Integrated Headphone Amplifier TLV320AIC23Data Manu［J］.Texal Instruments，2001（6）：22－43.

［4］International Telecommunication Union.Recommendation G.729：Coding of speech at 8kbit／s using conjugate structure algebraic code excited linear prediction（CS－ACELP）［EB／OL］.（2007 – 01）http：／／www.itu.int／rec／T－REC－G.729－200701－I／en.

［5］吕治国.G.729标准码本搜索算法分析及优化［J］.电声技术，2008，32（9）：46－48.