摘要：介紹了ITU語音編碼算法G.729的原理和TM1300 DSP處理器的特性，描述了G.729算法在TM1300上的優(yōu)化、實現(xiàn)。
　　關(guān)鍵詞：G.729， CS-ACELP，TM1300，VLIW，并行。
　　一、G.729編碼器介紹
　　G.729是電信聯(lián)盟（ITU，International ecommunication Union）于1996年推出的采用共軛結(jié)構(gòu)-代數(shù)碼激勵線性預(yù)測（CS-ACELP， Conjugate-Structure Algebraic-Code- Excited Linear-Predication）技術(shù)的具有8kbit/s碼率的語音編碼算法建議，該算法是以語音編碼方案中的碼激勵線性預(yù)測（CELP，Code Excited Linear Predication）技術(shù)為基礎(chǔ)提出的，其原理如圖1所示。
　　G.729是一種單聲道語音信號的壓縮編碼算法，模擬信號經(jīng)過話帶濾波器后，按8KHz的頻率采樣并轉(zhuǎn)換成16bit的線性PCM信號（即128kbit/s的碼流），這就是圖中所示的G.729編碼器的輸入語音信號。G.729編碼器以10ms的輸入幀（80個采樣點）為單位進行編碼。G.729編碼器的輸出為8kbit/s的碼流，因此其壓縮比高達16：1。而經(jīng)G.729解碼器還原后的聲音質(zhì)量卻達到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)，其主觀平均得分（MOS，Mean Opinion Score）在4分以上（MOS高得分為5分），屬于良好級別，人的耳朵幾乎察覺不到聲音有失真的情況，音質(zhì)與碼率為64kbit/s的G.711編碼標(biāo)準(zhǔn)相近，而占用的帶寬僅為G.711的1/8。另外G.729編碼算法的延時較小，在15ms左右。
　　雖然G.729具有較低的碼率、較高的還原音質(zhì)和較小的延時等優(yōu)點，但是由于其存在算法復(fù)雜度大和數(shù)據(jù)存儲量大的固有缺陷，在早期并沒有得到廣泛的實際應(yīng)用。后來隨著超大規(guī)模集成電路VSLI工藝的進步，極大地推動數(shù)字信號處理器（DSP）技術(shù)的發(fā)展，各大廠商紛紛推出了各具特色的高性能DSP，也大大降低了實現(xiàn)G.729語音編碼算法的成本。目前，G.729已經(jīng)廣泛應(yīng)用于諸如、會議電視、數(shù)字音視頻監(jiān)控等領(lǐng)域。

二、Trimedia TM1300處理器
　　TM1300處理器是Philips公司推出的一款32位性能優(yōu)良的多媒體處理芯片，特別針對數(shù)字視頻和音頻應(yīng)用進行了優(yōu)化，集成了視頻輸入/輸出接口、音頻輸入/輸出接口、IIC接口、PCI接口、SDRAM控制器等外圍設(shè)備接口，極大地簡化了外圍電路的設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，降低了系統(tǒng)的總體成本。因此TM1300處理器在音視頻處理卡、多媒體嵌入式設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。
　　TM1300處理器*的的多媒體處理性能得益于其核心CPU、多媒體操作指令集和存儲器體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計。TM1300的核心是32位的超長指令字結(jié)構(gòu)（VLIW，Very-Long Instruction Word）的處理器，內(nèi)部有11種共27個執(zhí)行單元，在每一個時鐘周期內(nèi)可以同時安排5個執(zhí)行單元進行5個操作，如圖2所示。

TM1300的指令

　TM1300有一整套專門針對多媒體運算的DSP操作指令，每一個操作可以執(zhí)行多個算術(shù)運算，比如操作UIFIR8UU（a，b）包括4個乘法運算和1個加法運算，這使TM1300具有強大的多媒體數(shù)據(jù)處理能力。而這些DSP操作指令都可以在C程序中直接調(diào)用，大大方便了編程。TM1300處理器內(nèi)部含有128個通用寄存器，這些寄存器不是分段的，所有操作都能使用這些寄存器。TM1300使用32位線性尋址，尋址能力達到4GB，同時為了解決高速VLIW CPU和低速外存SDRAM之間的數(shù)據(jù)交換瓶頸，TM1300內(nèi)部集成了16KB的高速數(shù)據(jù)緩存和32KB的高速指令緩存（CACHE），以確保VLIW CPU的全速運行。TM1300的二進制運行代碼以壓縮的格式存放在SDRAM和指令CACHE中，壓縮的代碼一方面可以提高指令CACHE的準(zhǔn)確率，另一方面可以減少指令CACHE與SDRAM之間的數(shù)據(jù)交換。指令CACHE中有一個專門的指令解壓機構(gòu)，它負(fù)責(zé)解壓縮指令并以224位的數(shù)據(jù)位寬向VLIW CPU提供指令。而其數(shù)據(jù)CACHE是雙端口的，其數(shù)據(jù)位寬達64位，并且VLIW CPU與緩存之間是以CPU的運行頻率交換數(shù)據(jù)的。
　　TM1300處理器的音頻輸入單元（AI）外接A/D轉(zhuǎn)換器，支持1個或2個聲道的音頻輸入采樣，每個采樣點可以設(shè)為8位或16位，可以工作在主模式或從模式，支持標(biāo)準(zhǔn)立體聲IIS格式和左對齊格式，采樣的數(shù)據(jù)通過雙DMA通道直接存放在SDRAM中，通過中斷方式通知CPU，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。
　　三、G.729在TM1300上的優(yōu)化、實現(xiàn)
　　電信聯(lián)盟ITU在推出G.729編解碼器算法的建議的同時，給出了G.729算法的一種軟件參考實現(xiàn)，也給出了一組測試向量，用以驗證軟件的正確性。該軟件采用移植性較好的ANSI C語言編寫的，因此可以在許多硬件平臺上編譯、運行。但是由于軟件采用的是16位定點運算，而且沒有針對任何硬件平臺做任何優(yōu)化，也沒有考慮并行運算，所以要充分發(fā)揮32位的TM1300 CPU的強勁性能，降低實現(xiàn)成本，必須經(jīng)過大量的優(yōu)化工作。代碼優(yōu)化過程是一個不斷調(diào)整改造程序、利用測試向量驗證正確性和查看系統(tǒng)資源消耗（主要指CPU占用率和所需內(nèi)存）的過程，我們主要做了下列優(yōu)化工作。
　　1、參考軟件采用的是16位定點運算，而TM1300是32位的處理器，因此我們把2個
16位的音頻采樣數(shù)據(jù)合成一個32位的數(shù)據(jù)，把絕大部分程序改造成32位定點運算的程序。
　　2、參考軟件中包含了一組用函數(shù)實現(xiàn)的基本操作，包括16位加法、減法、乘法、取飽和、左移、右移等函數(shù)，從程序運行的角度看，這些基本函數(shù)效率十分低，而且不利于提高程序的并行度。我們利用TM1300的DSP操作指令把大部分這種函數(shù)改成單操作指令。如原來的16位加法函數(shù)：
　　　　　　　　　　　　Word16 add(Word16 var1,Word16 var2)
　　　　　　　　　　　　{
　　　　　　　　　　　　Word16 var_out;
　　　　　　　　　　　　Word32 L_somme;
　　　　　　　　　　　　L_somme = (Word32) var1 + var2;
　　　　　　　　　　　　var_out = sature(L_somme);
　　　　　　　　　　　　return(var_out);
　　其中sature()又是‘取飽和’函數(shù)，把32位帶符號整數(shù)轉(zhuǎn)換成16位帶符號整數(shù)。利用TM1300的DSP操作指令，我們把它改成下面這樣一個宏定義：
　　#define add(var1, var2) ((Word16)DSPIDUALADD((var1), (var2)))
3、充分利用TM1300的128個通用寄存器，函數(shù)的臨時變量盡量不要使用數(shù)組，而是直接用單個整數(shù)，因為TM1300編譯器把數(shù)組編譯成內(nèi)存方式的變量，而單個整數(shù)的臨時變量則用寄存器來保存，這樣不但提高了運行速度，也有利于提高數(shù)據(jù)CACHE的準(zhǔn)確率。
　　4、通過調(diào)整程序的流程來盡量提高程序的并行度，特別是耗時的函數(shù)，如改變循環(huán)的次數(shù)、步長等。TM1300的軟件開發(fā)工具SDE中包含有測試函數(shù)并行度的工具，可以查看單個函數(shù)的并行度。我們知道TM1300的并行度為5，即1個時鐘周期執(zhí)行5個操作，經(jīng)過我們的優(yōu)化，G.729編碼器的幾個重點函數(shù)的并行度達到了4.2以上。
　　5、在C語言程序中，直接調(diào)用TM1300的匯編指令，特別是針對多媒體運算的DSP操作，盡量選用能并行執(zhí)行的操作。
　　6、充分使用TM1300的2個高速緩存：指令CACHE和數(shù)據(jù)CACHE，提高CACHE的準(zhǔn)確率。對于程序，在不影響并行度的前提下，使程序盡量小，避免程序的大范圍跳轉(zhuǎn)，這樣可以提高指令CACHE的效率；TM1300的數(shù)據(jù)CACHE是以64字節(jié)為單位的，即每次從SDRAM讀入數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)調(diào)出數(shù)據(jù)CACHE，至少是64個字節(jié)，因此在許多地方，我們對數(shù)據(jù)的存放位置進行了重新調(diào)整，使讀入CACHE的數(shù)據(jù)能被CPU充分利用。
　　通過上述優(yōu)化措施，我們花比較低的代價在TM1300 DSP上實現(xiàn)了G.729編碼器算法。在DSP主頻為175MHZ、SDRAM頻率為140MHZ的TM1300硬件平臺上，G.729編碼器完成實時語音編碼的CPU占用率為8%左右，并且通過了所有測試向量的驗證。
參考文獻
　　1、ITU-T Recommendation G.729, Coding of Speech At 8 kbit/s Using Conjugate-Structure Algebraic-Code-Excited Linear-Prediction(CS-ACELP)
　　2、TriMedia TM1300 DataBook