近二十年來(lái)，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)水平迅速提高，這些發(fā)展使得一大批性能優(yōu)良的復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理算法可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)并在日常通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，極大地提高了現(xiàn)有通信系統(tǒng)的可靠性和效率。因此，研究語(yǔ)音處理技術(shù)并將其用基于DSP芯片硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場(chǎng)前景。本文介紹了語(yǔ)音編解碼硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)思路和編解碼算法在硬件平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化過(guò)程，同時(shí)給出了硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)和低功耗設(shè)計(jì)思路。

1 平臺(tái)中語(yǔ)音編解碼算法簡(jiǎn)述

本文在TI C55x系列DSP上實(shí)現(xiàn)了0.3kbps至16kbps的多種不同速率的語(yǔ)音編解碼算法。其中16kps速率采用連續(xù)可變?cè)隽空{(diào)制（CVSD）的波形編碼算法，8kps速率采用了ITU-T公布的G.729a標(biāo)準(zhǔn)算法。而低速率編解碼采用了正弦激勵(lì)線性預(yù)測(cè)（SELP）算法。SELP算法是建立在傳統(tǒng)的線性預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，其中清音成分用白噪聲擬合，濁音成分在每個(gè)諧波處用一個(gè)頻率變化的正弦信號(hào)合成，整個(gè)激勵(lì)的濁音部分由一組不同幅度的正弦疊加而成，這也是SELP模型不同于傳統(tǒng)的線性預(yù)測(cè)的一個(gè)非常的重要方面，即激勵(lì)信號(hào)采用分帶混合正弦激勵(lì)。

2 語(yǔ)音編解碼算法在DSP數(shù)字處理芯片上的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化

由于在DSP上運(yùn)行的聲碼器必須要達(dá)到實(shí)時(shí)化的要求，而直接編譯的C程序遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到。因此需要編寫(xiě)和優(yōu)化C55x的匯編代碼來(lái)提高聲碼器的運(yùn)行效率。下面介紹幾點(diǎn)在算法硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)：

2.1 C程序和匯編程序的混編，函數(shù)的調(diào)用和參數(shù)傳遞

把一個(gè)模塊改寫(xiě)為匯編函數(shù)，然后在C程序或者匯編程序中調(diào)用它。在C55x的開(kāi)發(fā)中，函數(shù)的調(diào)用機(jī)制是這樣的：首先記錄下函數(shù)傳遞來(lái)的參數(shù)，和返回地址SP向低位移。然后再在堆棧中開(kāi)出本地變量常量所需要的空間，SP再次向低位移。

(1)匯編函數(shù)的聲明：在匯編函數(shù)中定義的函數(shù)如果要想在C代碼中被調(diào)用，必須用.global語(yǔ)句加以聲明，這樣，對(duì)象或函數(shù)被定義為外部的（external）。比如：

.global _Rem_Dc

_Rem_Dc:

……

(2)參數(shù)傳遞：在函數(shù)調(diào)用的過(guò)程中，C代碼傳來(lái)的參數(shù)按照以下規(guī)則存放在特定的寄存器中：即16或23位的數(shù)據(jù)指針，先后存放在(X)AR0-(X)AR4中。16位的數(shù)據(jù)，先后存放在T0，T1，AR0-AR4中，32位的數(shù)據(jù)，先后存放在AC0，AC1和AC2中。如果參數(shù)個(gè)數(shù)超過(guò)寄存器個(gè)數(shù)，則存放在堆棧中。同時(shí)，函數(shù)的返回值如果是短整型（short）則存放在T0中，如果是長(zhǎng)整型（long）則存放在AC0中，如果是指針則存放在(X)AR0中。

例如：

①int fn(int i1, long l2, int *p3);

則fn->T0; il->T0, l2->AC0, p3->AR0

②long fn(int *p1, int i2, int i3, int i4);

則fn->AC0, p1->AR0, i2->T0, i3->T1, i4->AR1

③void fn(long l1, long l2, long l3, long l4, int i5);

則l1->AC0, l2->AC1, l3->AC2, l4->堆棧, i5->T0

④void fn(long l1, long l2, long l3, int *p4, int *p5, int *p6, int *p7, int *p8, int i9, int i10);

則l1->AC0,l2->AC1,l3->AC2,p4->AR0，p5->AR1, p6->AR2, p7->AR3, p8->AR4, i9->T0,i10->T1

2.2 標(biāo)志位的設(shè)置

標(biāo)志位是DSP芯片在計(jì)算時(shí)設(shè)置一些位置。它們存放在ST0_55～ST3_55中，在運(yùn)算中主要用到的幾個(gè)有：

FRCT，當(dāng)其值等于1時(shí)，乘法運(yùn)算的結(jié)果將左移一位。等于零時(shí)，運(yùn)算結(jié)果不變。

SATD，當(dāng)其值等于1時(shí)，運(yùn)算發(fā)生溢出時(shí)作飽和處理

SXMD，當(dāng)其值等于1時(shí)，輸入操作數(shù)有符號(hào)擴(kuò)展

SMUL，當(dāng)其值等于1時(shí)，飽和模式開(kāi)

他們分別存儲(chǔ)在ST1_55和ST3_55寄存器的位置如圖1所示：

圖1 C55x DSP關(guān)鍵標(biāo)志位在寄存器中的位置

這幾個(gè)操作位的設(shè)置不對(duì)的話，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果的錯(cuò)誤。所以要根據(jù)程序的需要正確設(shè)置操作位，同時(shí)要在程序的前后保護(hù)和還原其初值。

psh *(ST1_55)

psh *(ST3_55)

……

pop *(ST3_55)

pop *(ST1_55)

3 語(yǔ)音編解碼硬件平臺(tái)簡(jiǎn)述

本文設(shè)計(jì)的多模式語(yǔ)音編解碼系統(tǒng)基于C55x系列DSP和MCU的雙處理器設(shè)計(jì)，主芯片采用了TI公司的TMS320VC5510A數(shù)字信號(hào)處理器。其時(shí)鐘周期最高為200MHz。擁有160KWord片上RAM（其中包括8塊4KWord的DARAM和32塊4KWord的SARAM）、16KWord片上ROM、8MWord的最大擴(kuò)展尋址能力。微控制器（MCU）選用TI公司的MSP430F149，主要完成系統(tǒng)啟動(dòng)，電源管理，狀態(tài)監(jiān)控，DSP程序加載，聲碼器二進(jìn)制碼流位置重排等功能，并和DSP配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)加密機(jī)制。另外，硬件平臺(tái)的音頻編解碼芯片選用TLV320AIC10，而程序存儲(chǔ)部分采用的是SST39VF160 Flash，容量為1MWord，用來(lái)儲(chǔ)存程序和數(shù)據(jù)。本硬件平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 多速率語(yǔ)音編解碼系統(tǒng)硬件平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)圖

4 低功耗設(shè)計(jì)

在數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本可以忽略不計(jì)，故暫不考慮。其動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式為：

(1)

式中P_d為CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗；C_T為CMOS芯片的負(fù)載電容；V為CMOS芯片的工作電壓；f為CMOS芯片的工作頻率。本硬件平臺(tái)的低功耗設(shè)計(jì)從選用有可變電壓和多電壓的器件、動(dòng)態(tài)功耗管理、動(dòng)態(tài)頻率控制三個(gè)方面入手。

4.1 選用有可變電壓和多電壓的器件

首先在文中的系統(tǒng)中，選用的單片機(jī)芯片TI公司的MSP430系列MCU是一款功耗相當(dāng)?shù)偷钠骷?，供電電?.8V~3.6V，運(yùn)行模式下功耗280μA/MHz，待機(jī)模式下功耗1.6μA/MHz，禁用模式下功耗0.1μA/MHz。其次選用的DSP芯片TI的C5510 DSP采用兩種驅(qū)動(dòng)電壓，內(nèi)核電壓1.6V，I/O電壓3.3V，根據(jù)（1）式，IC器件的功耗和供電電壓的平方成正比，1.6V供電的器件比3.3V供電器件能降低一半以上的功耗。IC設(shè)計(jì)中通常都將降低電壓作為控制功耗的最直接的手段，通過(guò)采用低電壓供電的DSP，既能有效地降低內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗，還能兼顧I/O的電平兼容性。

4.2動(dòng)態(tài)功耗管理

PCM編解碼芯片TLV320AIC11可以單獨(dú)將A/D或D/A部分禁用。當(dāng)話筒PTT沒(méi)有按下時(shí)，表示沒(méi)有話音輸入，此時(shí)可以將A/D部分置為IDLE狀態(tài)。同樣的，當(dāng)MODEM的CD信號(hào)為高時(shí)，表示沒(méi)有有效的數(shù)字碼流輸入聲碼器，故在此時(shí)可以將D/A部分設(shè)為IDLE狀態(tài)。通過(guò)將該芯片配置成低功耗模式，降低了系統(tǒng)的功耗。另外，C5510 DSP芯片內(nèi)部劃出了五個(gè)獨(dú)立的IDLE域，分別負(fù)責(zé)CPU、DMA、CACHE、外設(shè)、時(shí)鐘生成器、EMIF接口的配置。每個(gè)域可以獨(dú)立地將該域管轄的多個(gè)部件設(shè)置成活動(dòng)模式或IDLE模式以此降低DSP的功耗。針對(duì)本文設(shè)計(jì)，由于沒(méi)有使用到DMA、CACHE、時(shí)鐘生成器三個(gè)域中的外設(shè)，故將這三個(gè)域設(shè)置成了IDLE模式。EMIF域在DSP和MSP交換數(shù)據(jù)（為了調(diào)整發(fā)送和接收的比特流）時(shí)才被置為活動(dòng)，其他時(shí)候被置為IDLE。通過(guò)這樣的設(shè)置，更加有效地控制了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算功耗。

4.3動(dòng)態(tài)頻率控制

根據(jù)（1）式，IC器件的功耗和頻率成正比，因此，將IC器件的頻率控制在剛剛好滿足運(yùn)算處理要求的情況，可以大大減小系統(tǒng)功耗。這種方法的關(guān)鍵是算法運(yùn)算量的大小，動(dòng)態(tài)的調(diào)整芯片的運(yùn)行頻率，從而達(dá)到節(jié)省功耗的目的。在本文設(shè)計(jì)的平臺(tái)上運(yùn)行的六種速率的低速率語(yǔ)音編解碼算法中，600bps、1200bps、2400bps、8000bps、16kbps的峰值運(yùn)算量分別為37.4MIPS、59.2MIPS、44.8MIPS、18.6MIPS、<1MIPS,因此將DSP的工作頻率分別設(shè)置在40.096MHz、65.536MHz、49.152MHz、24.576MHz。這樣處理能夠很有效地降低DSP的內(nèi)核功耗，最大限度地有效利用運(yùn)算資源。

通過(guò)以上幾個(gè)方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們達(dá)到了應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)功耗的要求。表1是本系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的功耗統(tǒng)計(jì)。

表1 不同模式下DSP功耗

工作方式

功耗

全速運(yùn)行（80MHz）

521.4mW

低速運(yùn)行（2MHz）

264mW

低速運(yùn)行/DSP外設(shè)休眠

214.5mW

低速運(yùn)行/DSP外設(shè)休眠/外圍芯片休眠

155.1mW

5 小結(jié)

本文中介紹了針對(duì)語(yǔ)音編解碼算法在TI C55x系列DSP上的實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合作者在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)總結(jié)了編寫(xiě)匯編程序中的主要技巧。目前C55x的高性能低功耗特點(diǎn)能大幅度提高便攜式設(shè)備的處理能力和電池的使用壽命，將會(huì)廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音處理的各個(gè)領(lǐng)域。本文介紹的方法和經(jīng)驗(yàn)具有廣闊的推廣價(jià)值。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：1.指出了多種在TI C55x系列DSP平臺(tái)上匯編語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)與技巧。2.實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可同時(shí)加載多種速率制式語(yǔ)音編解碼的嵌入式硬件平臺(tái)。 3.采用多種方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)該硬件平臺(tái)的低功耗設(shè)計(jì)，很大程度上節(jié)約了系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。

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