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概述

近二十年來，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展帶動(dòng)相關(guān)的軟件、硬件設(shè)計(jì)達(dá)到新的水平，使得很多比較復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)并且得到廣泛應(yīng)用。突出的代表就是數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）與語音信號(hào)壓縮編碼算法相結(jié)合，并且在日常通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，例如數(shù)字移動(dòng)電話、IP電話等。隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展、微處理器和信號(hào)處理專用芯片的發(fā)展，也為語音處理技術(shù)的應(yīng)用提供了更加廣闊的平臺(tái)。所有這些因素都促進(jìn)了對(duì)更加有效、可靠、高質(zhì)量的語音編碼系統(tǒng)的需要，從而促進(jìn)了語音編碼技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。在最近一些年內(nèi)，語音壓縮編碼技術(shù)有了很大的發(fā)展。最早的標(biāo)準(zhǔn)化語音編碼標(biāo)準(zhǔn)是70年代CCITT公布的G.711 64kb/s脈沖編碼調(diào)制PCM。此后ITU又先后公布了G.721 32kb/s自適應(yīng)差分編碼（ADPCM）、G.728 16kb/s短延時(shí)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（LD-CELP）。此外還有一些政府和組織制定的語音標(biāo)準(zhǔn)，例如用于西歐數(shù)字移動(dòng)通信的13kb/s具有長(zhǎng)時(shí)預(yù)測(cè)規(guī)則碼激勵(lì)（RPE-LPT）的線性預(yù)測(cè)方案，北美數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)8kb/s矢量和激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（VSELP）方案等。1999年歐洲通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）推出了基于碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CELP）的第三代移動(dòng)通信語音編碼標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)多速率語音編碼器（AMR），其中最低速率為4.75kb/s，達(dá)到通信質(zhì)量。1995年ITU公布G.723.1，編碼算法有兩種，5.3kb/s的ACELP和6.3kb/s的MP－MLQ算法，主要用于IP電話。1996年ITU公布了G.728 8kb/s的CS－ACELP算法，可以用于IP電話、衛(wèi)星通信、語音存儲(chǔ)等多個(gè)領(lǐng)域。目前，ITU正在致力于制定4kb/s的語音編碼國際標(biāo)準(zhǔn)，該算法將達(dá)到長(zhǎng)途質(zhì)量。針對(duì)一些特殊應(yīng)用，如保密通信、軍用通信、應(yīng)急通信等，許多國際組織、國家也研制了各種不同速率的語音壓縮編碼速率，例如美國政府為保密通信用開發(fā)的2.4和1.2kb/s MELP算法。我國近幾年也研制了0.6、1.2、2.4kb/s及其它速率語音壓縮編碼算法，達(dá)到并且超過了國外同速率編碼的質(zhì)量。

DSP在近20年內(nèi)一直在高速發(fā)展，運(yùn)算能力不斷提高，片上資源和接口更加豐富，而單位運(yùn)算所需功耗不斷降低。下面給出幾個(gè)主要廠家的DSP產(chǎn)品。

TI的DSP主要有四大系列：

C5000系列（定點(diǎn)，低功耗）：適合

個(gè)人與便攜上網(wǎng)及無線通信應(yīng)用。80－400MIPS。

C2000系列（定點(diǎn)，控制器）：針對(duì)
控制進(jìn)行優(yōu)化的DSP。

C6000系列（高性能）：適合寬帶
網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字影像應(yīng)用。

OMAP系列（雙核芯片）：適合低
功耗移動(dòng)設(shè)備和多媒體PDA。

ADI的DSP主要有四大系列：

21xx系列：16定點(diǎn)DSP，內(nèi)部REM
大，外圍接口多，適合作為控制類芯片使用。

SHARC系列：32位浮點(diǎn)DSP，21160 21161提供與大內(nèi)存容量結(jié)合的簡(jiǎn)單浮點(diǎn)算法，具有高水平的浮點(diǎn)性能。

TigerSHARC系列：比SHARC具
有更高的浮點(diǎn)運(yùn)算功能TS101，TS201

Blackfin系列：高性能16位DSP
信號(hào)處理與通用微控制器易使用的性能結(jié)合。

Motolora的DSP：

DSP56800,16BIT定點(diǎn)DSP，通用型DSP。

DSP563XX,24bit定點(diǎn)DSP, 通用型DSP。

本文將介紹使用TI公司C5000系列實(shí)現(xiàn)ITU-T G.729A 8kb/s CS-ACELP語音壓縮編碼算法，并對(duì)TI公司的TMS320C54x系列DSPITU-T G.729A語音編碼算法做簡(jiǎn)單介紹，以及軟件編程、調(diào)試和實(shí)現(xiàn)結(jié)果。

圖1 C54xDSP結(jié)構(gòu)框圖（略）


TMS320 C54x系列DSP芯片簡(jiǎn)介及硬件設(shè)計(jì)

TMS320 C54x系列DSP芯片是使用靜態(tài)CMOS技術(shù)制造的。其方框圖見圖1，從圖中可以看出C54x系列DSP芯片具有以下功能單元：

總線

C54x共有八條總線分別是：

PB： 程序讀取總線
CB： 數(shù)據(jù)讀取總線1
DB： 數(shù)據(jù)讀取總線2
EB： 數(shù)據(jù)寫入總線
PAB： 程序讀取地址總線
CAB： 數(shù)據(jù)讀取地址總線1
DAB： 數(shù)據(jù)讀取地址總線2
EAB： 數(shù)據(jù)寫入地址總線

中央處理器（CPU）

CPU由以下幾個(gè)部件組成：

先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)： 包括三個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和一個(gè)程序總線

40位的算術(shù)邏輯單元： 包括一個(gè)40位移位器和兩個(gè)獨(dú)立的40位累加器

17bit 17bit的并行乘法器同一個(gè)專用的加法器相配合： 用來執(zhí)行不經(jīng)流水線的單周期乘加（MAC）運(yùn)算

指數(shù)譯碼器： 可以在一個(gè)周期里計(jì)算出一個(gè)40位累加器的指數(shù)值

兩個(gè)地址生成器： 包括8個(gè)輔助寄存器和兩個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元

程序控制器： 對(duì)指令進(jìn)行解碼、管理流水線和程序流程

片上存儲(chǔ)器

C54x共有192K字的尋址能力（64K字的程序區(qū)，64K字的數(shù)據(jù)區(qū)，和64K字的I/O區(qū)）。

表1給出了部分C54x芯片的片上資源、運(yùn)算能力、工作電壓等。運(yùn)算能力用MIPS來度量，即每秒能執(zhí)行一百萬條指令的數(shù)量。

片上其它資源

C54x系列中不同產(chǎn)品具有不同的片上外設(shè)配置。這些外設(shè)有：

軟件可編程的等待狀態(tài)發(fā)生器

可編程的庫轉(zhuǎn)換

片上鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器（包括一個(gè)內(nèi)部振蕩器或一個(gè)外部時(shí)鐘源）

一個(gè)16比特定時(shí)器

通用輸入輸出管腳

同步串行口

異步串行口

C54x系列DSP芯片具有以下主要特點(diǎn)：

采用改進(jìn)哈佛結(jié)構(gòu)，對(duì)程序內(nèi)存和數(shù)據(jù)內(nèi)存使用分離的總線。這樣可以同時(shí)取指令和操作數(shù)，提高了運(yùn)行效率和通用性

先進(jìn)的CPU設(shè)計(jì)和為應(yīng)用設(shè)計(jì)的硬件邏輯提高了芯片的性能

為快速的后續(xù)發(fā)展設(shè)計(jì)的模塊化結(jié)構(gòu)

先進(jìn)的IC處理技術(shù)提供了高性
能和低功耗

采用5V或3V靜態(tài)CMOS技術(shù)
可以進(jìn)一步降低功耗

Power-down模式可以進(jìn)一步降
低功耗

能源消耗控制： 使用IDLE1，IDLE2，和IDLE3指令進(jìn)入Power-down模式
使用CLKOUT-off控制來禁止CLKOUT信號(hào)

高度專門的指令結(jié)構(gòu)提供了快速運(yùn)算和優(yōu)化的高階語言操作

單指令循環(huán)和塊指令循環(huán)功能

塊內(nèi)存移動(dòng)指令提供了更好的程序和數(shù)據(jù)管理

32位操作數(shù)指令

擁有兩個(gè)或三個(gè)操作數(shù)讀取能力的指令

可以并行存儲(chǔ)和并行讀取的算術(shù)指令

條件存儲(chǔ)指令

從中斷快速返回的指令 擁有多種片上外設(shè)和內(nèi)存配置方案

40位算術(shù)運(yùn)算器（ALU）

17bit 17bit單周期并行乘法器

六級(jí)流水線操作提高程序執(zhí)行效率

支持比特倒置尋址方式和循環(huán)尋址方式。

對(duì)于語音壓縮編碼，通常所需要的DSP運(yùn)算能力不會(huì)超過50個(gè)MIPS，程序和數(shù)據(jù)所占用的容量大約幾十K字，AD/DA的精度保持就可以滿足使用要求，語音輸入輸出、信碼輸入輸出各需要一個(gè)雙向串口。但考慮在通信領(lǐng)域中應(yīng)用，往往一片DSP不僅要實(shí)現(xiàn)語音壓縮編解碼，還需要實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)回聲抵消、加解密、信道編解碼，甚至基帶調(diào)制解調(diào)算法等。因此我們選用了TMS320VL5416設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)。AD/DA芯片采用TI公司的TLV320AIC10，它是德州儀器公司（TI）推出的一款通用型低功耗16位A/D、D/A音頻接口芯片，適用于語音以及寬帶音頻處理。采用3.3V或5V供電，片內(nèi)集成了FIR濾波器，可以達(dá)到最高88KHz的采樣頻率，集成了輸入放大器和輸出放大器，支持多路芯片串連，提供低功耗、ADC與DAC單獨(dú)三種工作模式。TLV320AIC10的數(shù)字接口采用同步串口方式，可以非常方便的與DSP同步串口（McBSP）相連。FLASH采用SST39VF800A芯片，該芯片有512K 16容量，可以將多種應(yīng)用程序固化在該芯片中。開機(jī)后DSP的加載程序自動(dòng)將FLASH中的程序拷貝到DSP片上RAM中，以便能夠全速運(yùn)行程序，充分發(fā)揮DSP的處理能力。