G.729语音编码算法在TriMedia TM1300 DSP上的实现
杭州海康威视数字技术有限公司 陈军科
摘要：介绍了ITU语音编码算法G.729的原理和TM1300 DSP处理器的特性，描述了G.729算法在TM1300上的优化、实现。
关键词：G.729， CS-ACELP，TM1300，VLIW，并行。
一、G.729编码器介绍
G.729是国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）于1996年推出的采用共轭结构-代数码激励线性预测（CS-ACELP， Conjugate-Structure Algebraic-Code- Excited Linear-Predication）技术的具有8kbit/s码率的语音编码算法建议，该算法是以语音编码方案中的码激励线性预测（CELP，Code Excited Linear Predication）技术为基础提出的，其原理如图1所示。
G.729是一种单声道语音信号的压缩编码算法，模拟信号经过话带滤波器后，按8KHz的频率采样并转换成16bit的线性PCM信号（即128kbit/s的码流），这就是图中所示的G.729编码器的输入语音信号。G.729编码器以10ms的输入帧（80个采样点）为单位进行编码。G.729编码器的输出为8kbit/s的码流，因此其压缩比高达16：1。而经G.729解码器还原后的声音质量却达到了相当高的水准，其主观平均得分（MOS，Mean Opinion Score）在4分以上（MOS最高得分为5分），属于良好级别，人的耳朵几乎察觉不到声音有失真的情况，音质与码率为64kbit/s的G.711编码标准相近，而占用的带宽仅为G.711的1/8。另外G.729编码算法的延时较小，在15ms左右。
虽然G.729具有较低的码率、较高的还原音质和较小的延时等优点，但是由于其存在算法复杂度大和数据存储量大的固有缺陷，在早期并没有得到广泛的实际应用。后来随着超大规模集成电路VSLI工艺的进步，极大地推动数字信号处理器（DSP）技术的发展，各大厂商纷纷推出了各具特色的高性能DSP，也大大降低了实现G.729语音编码算法的成本。目前，G.729已经广泛应用于诸如IP电话、会议电视、数字音视频监控等领域。
二、Trimedia TM1300处理器
TM1300处理器是Philips公司推出的一款32位性能优良的多媒体处理芯片，特别针对数字视频和音频应用进行了优化，集成了视频输入/输出接口、音频输入/输出接口、IIC接口、PCI接口、SDRAM控制器等外围设备接口，极大地简化了外围电路的设计，提高了系统的稳定性、可靠性，降低了系统的总体成本。因此TM1300处理器在音视频处理卡、多媒体嵌入式设备中得到了广泛的应用。
TM1300处理器超强的的多媒体处理性能得益于其核心CPU、多媒体操作指令集和存储器体系结构的设计。TM1300的核心是32位的超长指令字结构（VLIW，Very-Long Instruction Word）的处理器，内部有11种共27个执行单元，在每一个时钟周期内最多可以同时安排5个执行单元进行5个操作，如图2所示。
TM1300的指令
TM1300有一整套专门针对多媒体运算的DSP操作指令，每一个操作可以执行多个算术运算，比如操作UIFIR8UU（a，b）包括4个乘法运算和1个加法运算，这使TM1300具有强大的多媒体数据处理能力。而这些DSP操作指令都可以在C程序中直接调用，大大方便了编程。TM1300处理器内部含有128个通用寄存器，这些寄存器不是分段的，所有操作都能使用这些寄存器。TM1300使用32位线性寻址，寻址能力达到4GB，同时为了解决高速VLIW CPU和低速外存SDRAM之间的数据交换瓶颈，TM1300内部集成了16KB的高速数据缓存和32KB的高速指令缓存（CACHE），以确保VLIW CPU的全速运行。TM1300的二进制运行代码以压缩的格式存放在SDRAM和指令CACHE中，压缩的代码一方面可以提高指令CACHE的命中率，另一方面可以减少指令CACHE与SDRAM之间的数据交换。指令CACHE中有一个专门的指令解压机构，它负责解压缩指令并以224位的数据位宽向VLIW CPU提供指令。而其数据CACHE是双端口的，其数据位宽达64位，并且VLIW CPU与缓存之间是以CPU的运行频率交换数据的。
TM1300处理器的音频输入单元（AI）外接A/D转换器，支持1个或2个声道的音频输入采样，每个采样点可以设为8位或16位，可以工作在主模式或从模式，支持标准立体声IIS格式和左对齐格式，采样的数据通过双DMA通道直接存放在SDRAM中，通过中断方式通知CPU，减轻了CPU的负担。
三、G.729在TM1300上的优化、实现
国际电信联盟ITU在推出G.729编解码器算法的建议的同时，给出了G.729算法的一种软件参考实现，也给出了一组测试向量，用以验证软件的正确性。该软件采用移植性较好的ANSI C语言编写的，因此可以在许多硬件平台上编译、运行。但是由于软件采用的是16位定点运算，而且没有针对任何硬件平台做任何优化，也没有考虑并行运算，所以要充分发挥32位的TM1300 CPU的强劲性能，降低实现成本，必须经过大量的优化工作。代码优化过程是一个不断调整改造程序、利用测试向量验证正确性和查看系统资源消耗（主要指CPU占用率和所需内存）的过程，我们主要做了下列优化工作。
1、参考软件采用的是16位定点运算，而TM1300是32位的处理器，因此我们把2个
16位的音频采样数据合成一个32位的数据，把绝大部分程序改造成32位定点运算的程序。
2、参考软件中包含了一组用函数实现的基本操作，包括16位加法、减法、乘法、取饱和、左移、右移等函数，从程序运行的角度看，这些基本函数效率十分低，而且不利于提高程序的并行度。我们利用TM1300的DSP操作指令把大部分这种函数改成单操作指令。如原来的16位加法函数：
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‘取饱和’函数，把32位带符号整数转换成16位带符号整数。利用TM1300的DSP操作指令，我们把它改成下面这样一个宏定义：
#define add(var1, var2) ((Word16)DSPIDUALADD((var1), (var2)))
3、充分利用TM1300的128个通用寄存器，函数的临时变量尽量不要使用数组，而是直接用单个整数，因为TM1300编译器把数组编译成内存方式的变量，而单个整数的临时变量则用寄存器来保存，这样不但提高了运行速度，也有利于提高数据CACHE的命中率。
4、通过调整程序的流程来尽量提高程序的并行度，特别是耗时的函数，如改变循环的次数、步长等。TM1300的软件开发工具SDE中包含有测试函数并行度的工具，可以查看单个函数的并行度。我们知道TM1300的最高并行度为5，即1个时钟周期执行5个操作，经过我们的优化，G.729编码器的几个重点函数的并行度达到了4.2以上。
5、在C语言程序中，直接调用TM1300的汇编指令，特别是针对多媒体运算的DSP操作，尽量选用能并行执行的操作。
6、充分使用TM1300的2个高速缓存：指令CACHE和数据CACHE，提高CACHE的命中率。对于程序，在不影响并行度的前提下，使程序尽量小，避免程序的大范围跳转，这样可以提高指令CACHE的效率；TM1300的数据CACHE是以64字节为单位的，即每次从SDRAM读入数据或把数据调出数据CACHE，至少是64个字节，因此在许多地方，我们对数据的存放位置进行了重新调整，使读入CACHE的数据能被CPU充分利用。
通过上述优化措施，我们花比较低的代价在TM1300 DSP上实现了G.729编码器算法。在DSP主频为175MHZ、SDRAM频率为140MHZ的TM1300硬件平台上，G.729编码器完成实时语音编码的CPU占用率为8%左右，并且通过了所有测试向量的验证。
参考文献
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
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