高速G.729ab声码器设计及其在媒体网关中的应用

　　在VoIP媒体网关设备中，语音压缩编码是其关键技术之一。在ITU-T发布的应用于VoIP的语音压缩编解码标准中，G．729是应用较为广泛的一种。G．729采用“共轭结构代数码本激励线性预测编码” (CS-ACELP)算法，算法帧长为lO ms，编码后速率为8 Kb／s。G．729有两个附件：附件A给出一种低复杂度的算法，可应用于多媒体同步语音和数据；附件B在标准算法的基础上增加了静音检测压缩算法以降低平均传输率，包括静音检测(VAD)和舒适噪音产生(CNG)。文献对G．729语音压缩编码算法的具体原理中有详尽的描述，本文的论述重点在算法的汇语言优化、声码器的DSP硬件接口设计，以及其在媒体网关中的应用。

　　1 G．729ab编解码核心算法优化

　　本文选择TI公司的TMS320C6203芯片为核心，实现G．729ab声码器设计。TMS320C62xx系列DSP的集成开发环境Code Composer Studio(简称CCS)支持标准C语言和汇编混合编程的方式编程，为了提高编解码算法的效率，本文对ITU_T的标准G．729ab的C语言原码进行汇编指令优化设计。同时，对于上层编解码器控制函数，采用C语言开发，以提高声码器的可维护性。

　　C62xx采用6级流水线结构，提供了A，B两组(共32个)通用寄存器，8个功能单元(．L1，．L2，．S1，．S2，．M1，．M2，．D1 和．D2)，最多同时可以有8条指令处在不同的执行阶段并行。流水线结构是DSP实现高速运算的重要技术。由于不同指令的指令周期不同，需要在多周期指令后插入足够的NOP(空操作)指令，以避免流水线冲突。

　　在G．729ab的标准C代码中，有大量的循环体。循环控制的关键跳转指令B，需要等待5个指令周期，大量的NOP操作将降低代码的效率。为了提高循环效率，可以合理安排指令顺序，在一个汇编循环体内完成多个C循环的运算的流水线操作。用汇编指令实现如下简单的for循环求信号能量的程序段为例：

　　上述示例可使用如下汇编程序段实现：

　　如上优化后，循环体LOOP仅为一个周期，在这一个周期中有6条并行运行的指令。其中，内存读取指令LDFI需4个周期，故乘法指令SMPY是将向前追溯 4个循环周期的内存读取结果相乘。同理，SMPY指令需2个周期，故SADD指令是将2个循环周期之前的相乘结果相加。B0和A1配合用于循环控制，在等待跳转指令B有效的5个延时周期内，依次进行随后的后一循环的取数，前第3个循环的相乘，前一个循环的求和、循环控制和跳转指令，依次类推。上述优化实现了最优循环效率。
本设计优化后核心编解码算法代码完全符合ITUT G．729ab标准，并通过了ITU-T的所有测试矢量。使用300 MHz主频的TMS320C6203实现声码器，单片可支持31路G．729ab算法。

　　2 声码器的DSP硬件接口设计

　　在媒体网关中，声码器的功能是实现PSTN的E1语音信号和数据网分组语音压缩信号之间的编解码转化。利用TMS320C6203片内固化设置的 McBSP接口(多通道缓存串行接口)与HPI接口(主处理器接口)，可以实现DSP与E1总线、以及数据网上层处理器的连接。结构示意图如图1所示。

　　TM320C6203通过内置McBSP与EDMA(Enhanced Directory Memory Access，增强型直接内存访问)控制器配合，可实现与E1标准接口的链接。设置McBSP的接收／发送控制寄存器(R／XCR)，使串口按照标准E1 数据格式进行数据收发；设置串口管脚控制寄存器(PCR)，控制串口采用外部E1总线的时钟和帧同步信号；设置串口控制寄存器(SPCR)，控制串口的 R／XINT(收／发中断)由EDMA响应。

　　TMS320C6203支持16个EDMA通道，其12～15通道可用于响应串口收、发中断。以串口接收数据为例：本设计中设计了乒、乓两个串口数据接收缓存区。

　　串口寄存器中的数据通过EDMA模式缓存到乒缓存区，当乒缓存区满时，EDMA参数重载，控制切换，将数据缓存至乓缓存区，同时给出EDMA中断，通知CPU读取一帧数据。通过McBSP接口发送数据的过程完全类似。
声码器通过DSP的HPI接口与上层处理器连接，实现数据网分组语音压缩信号的收发。在HPI接口中，设计了以太网数据发送／接收缓存区，并为每个缓存区设计了RP(Read Pointer，读指针)和WP(Write Pointer，写指针)，用于控制上层处理器和DSP之间的编码数据交互。同时上层处理器通过HPI接口向声码器发送指令，控制通道的打开或关闭。