《用于 G7231 語音編解碼器加速的向量處理器研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《用于 G7231 語音編解碼器加速的向量處理器研究（5頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、精品論文推薦
用于 G.723.1 語音編解碼器加速的向量處理器研究
邢雲(yún)峰， 桑 林 北京郵電大學電信工程學院，北京 (100876) Email: xingyunfeng@
摘 要： 編解碼時間是語音編解碼器的一個關鍵性能指標。本文提出了一種利用可配置的
向量處理器來配合嵌入式處理器進行G.723.1編碼的方法，測試結果表明，這種方式可以顯 著提高嵌入式處理器的編解碼速度。 關鍵詞：語音編解碼器；向量處理器；嵌入式處理器；語音編碼
中圖分類號：TN912.32
1. 引 言
G.723.1[1]是國際電信聯(lián)盟(ITU)于1996年推出的面向多媒體通信的低碼率
2、語音編碼標 準，采用了碼激勵線性預測(CELP) 算法，在低碼率下能達到較高的合成語音質量，且算法 復雜度不太高。它最初是為可視電話而設計的，包括5.3 kb/s和6.3 kb/s兩種速率，分別采用 代數(shù)碼本激勵(ACELP)和多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)技術。
在VOIP技術蓬勃發(fā)展的今天，為了節(jié)省IP語音包的帶寬占用，大多數(shù)的IP終端都支持 用G.723.1進行語音編解碼。雖然ITU-T G.723.1協(xié)議提供了G.723.1語音編解碼器的C語言源 代碼，但是在實際的應用中，由于G.723.1編碼計算量比較大，如果想通過一臺IP終端實現(xiàn) 三方通話，往往需要一片專用DSP來進行語音
3、信號的處理，這樣增加了終端的成本。本文先 從分析G.723.1編解碼算法的特點出發(fā)，然后根據(jù)G.723.1編解碼算法的特點設計向量處理器 來輔助嵌入式處理器進行編解碼，最后根據(jù)實際測試結果給出結論。
1. G.723.1 算法特點分析
首先利用 VC++的 profile 功能對 G.723.1 語音編解碼器的定點 C 語言源代碼執(zhí)行參數(shù)為
function timing 的 profile 測試，測試結果見表 1。
表 1 未優(yōu)化代碼的 profile 測試（%）
碼率
5.3k
6.3k
L_mac
21.5
32.4
L_mult
16.9
17.
4、7
L_add
16.4
15.6
L_msu
3.9
3.8
L_shr
6.4
3.1
L_sub
1.7
1.7
L_shl
0.3
0.4
Round
0.5
0.4
mult_r
0.3
0.3
Sature
0.6
0.1
Shr
0.1
0.1
Shl
0.3
0.1
Add
0.7
0.1
Sub
0.1
0.1
合計
69.7
75.9
- 5 -
從表 1 可以發(fā)現(xiàn)，在 G.723.1 語音編解碼算法中，表中所列的這些基本運算占到總運算
量的 70%左右，因此如果可以將這些基本運
5、算拿出來單獨處理，將有可能大大減少嵌入式 處理器的編解碼時間。進一步的分析發(fā)現(xiàn)，這些基本運算很多都出現(xiàn)在計算信號的互相關， 能量，濾波等循環(huán)計算中，這種計算形式可以認為是把一段時間的信號看作一個一定長度的 向量來進行處理，如果設計一個專用的向量處理器來進行這種向量的運算，將使得減少 CPU 的編解碼時間成為可能。
2. 向量計算單元數(shù)據(jù)通路設計
向量計算單元設計為一個時鐘周期完成一次乘加運算，具體結構如圖 1 所示。所有待計 算的向量由 CPU 事先儲存于內存中，向量計算單元根據(jù) VDR 寄存器的設置從指定的地址 取得待運算的向量，然后根據(jù) CR 寄存器的指令進行相應的運算。需要指出的
6、是這里的向量 均由 16 位的定點數(shù)據(jù)組成。
圖 1 向量計算單元數(shù)據(jù)通路
該計算單元可以完成的向量運算包括兩個向量相乘，一個向量乘常數(shù)再與另一個向量相 加，兩個向量相乘并將結果累加等等。這里用一個具體向量運算指令對圖 1 進行說明。 指令名稱：VADDQ
指令功能：T = ( A + B * CONST16 ) >> SHIFT
T，A，B 均表示由一定長度的 16 位定點數(shù)構成的向量，SHIFT 表示每個計算結果右移 的位數(shù)。計算過程如下：
z 在第一個時鐘周
7、期，數(shù)據(jù) A[i]和 B[i]被放入寄存器，16 位常數(shù)寄存器記錄的常數(shù)也準備 進入乘法器.
z 在第二個時鐘周期，得到 CONST16 與 B[i]相乘的結果 b，同時，A[i]被左移 15 位變?yōu)?
Q30 的數(shù) a 作為四路復用器的選擇數(shù)據(jù)（a 的第 32 位按照第 31 位進行了符號擴展）。
z 在第三個時鐘周期，將第二個時鐘周期得到的 a 與 b 兩數(shù)做飽和加法，記錄 Q30 和 Q31
兩個和。
z 在第四個時鐘周期，將 Q31 和右移 SHIFT 位然后進行 16 位飽和及四舍五入變?yōu)?Q15
結果。
z 在第五個時鐘周期，將 Q15 結果寫回向量 T 所在的
8、內存中得到 T[i]。 圖 1 各個功能塊作用解釋如下
3.1 寄存器
整個數(shù)據(jù)流可以分為 5 個階段，寄存器記錄每個階段運算的結果。
3.2 符號擴展
這個功能塊是用來把 16 位定點數(shù)通過符號位的擴展變成 32 位定點數(shù)，擴展后的數(shù)據(jù)高
17 位均為符號位。
3.3 Q15 變?yōu)?Q30
這個功能塊是把 Q15 的 16 位定點數(shù)直接左移 15 位變?yōu)?Q30 的 32 位定點數(shù)，最高兩位 均為符號位。
3.4 乘法器
這個功能塊是用來做兩個 16 位有符號定點數(shù)的乘法，結果為 32 位有符號數(shù)。
3.5 飽和加（減）法器
這個功能塊用來做飽和加減
9、法，一般情況下，當兩個加數(shù)符號相同而和與它們的符號相 反時，此時相加結果飽和，當加數(shù)為正時，和取為 0x7fffffff ，當加數(shù)為負時，和取為
0x80000000，其它情況均直接取相加結果作為最終結果。而在做減法時則相反，當被減數(shù)和
減數(shù)符號相反而差與被減數(shù)的符號相反時，此時相減運算結果飽和，當被減數(shù)為正時，和取 為 0x7fffffff，當被減數(shù)為負時，和取為 0x80000000，其它情況均直接取相減結果作為最終 結果。
3.6 移位，四舍五入及飽和
這個功能塊是考慮到計算結果由 Q30 變?yōu)?Q15 移位時會遇上飽和問題，以及為了增加 結果的精度進行四舍五入而設計的。
10、
3. 實際編解碼效果
將向量處理器集成于ARM922T[2]的核中，架構方式如圖 2 所示。CPU通過AHB總線將 數(shù)據(jù)寫入向量處理器，然后寫命令寄存器開始向量運算，運算結束后CPU再通過AHB總線 從向量處理器取回運算結果。
圖 2 向量處理器應用方式
首先將 ITU-T G.723.1 協(xié)議所提供的 G.723.1 語音編解碼器的 C 語言源代碼中可以采用
向量運算指令計算的部分全部用向量計算指令優(yōu)化，然后用 ITU 所有的 G.723.1 測試向量逐
一對優(yōu)化過的代碼進行編解碼測試，全部與標準結果一致
11、后進行編解碼速度的測試。 測試環(huán)境設置如下：CPU 與總線工作頻率均為 60MHz，打開數(shù)據(jù) cache 和指令 cache，
打開 MMU。編解碼測試性能數(shù)據(jù)如表 2 和表 3 所示，表中向量長度是用時間計算的，以
ms 為單位。
表 2 采用向量處理器后的編碼性能
測試向量
向量長度(ms)
編碼速度(ms)
CODEC63.TIN OVERC63.TIN PATHC63H.TIN TAMEC63H.TIN INEQC53.TIN OVERC53H.TIN PATHC53.TIN
9390
600
30570
3000
1890
630
30840
12、9345.8
757.9
35681.9
3841.8
1721.5
583.0
28596.9
表 3 采用向量處理器后的解碼性能
測試向量
向量長度(ms)
解碼速度(ms)
OVERD63P.TCO PATHD63P.TCO TAMED63P.TCO INEQD53.TCO OVERD53.TCO PATHD53.TCO
990
3000
3000
60
780
120
127.1
351.3
397.5
3.6
51.7
7.7
從表 2，表 3 的結果可以看到，在前面所述的測試環(huán)境下，采用 ITU-T G.723.1
13、進行編
解碼基本可以做到 1 路實時編碼和 7 路實時解碼?？紤]到實際 CPU 的工作頻率一般為測試 頻率 60MHz 的 3 倍左右或者更高，那么采用上述方式進行編解碼完全可以做到 2 路實時編 碼 16 路實時解碼。
在其它測試環(huán)境不變但是不采用向量處理器的情況下，測試結果如表 4 和表 5 所示。
表 4 采用向量處理器后的編碼性能
測試向量
向量長度(ms)
編碼速度(ms)
CODEC63.TIN OVERC63.TIN PATHC63H.TIN TAMEC63H.TIN INEQC53.TIN OVERC53H.TIN PATHC53.TIN
9390
14、600
30570
3000
1890
630
30840
36144.4
2708.9
130341.9
13486.4
5689.8
2020.2
98168.1
表 5 采用向量處理器后的解碼性能
測試向量
向量長度(ms)
解碼速度(ms)
OVERD63P.TCO PATHD63P.TCO TAMED63P.TCO INEQD53.TCO OVERD53.TCO PATHD53.TCO
990
3000
3000
60
780
120
294.3
819.1
903.7
7.2
95.2
14.5
表
15、4，表 5 數(shù)據(jù)表明，只用單片 ARM9 的 CPU 進行一路 G.723.1 的實時編碼是不可能
的。
4. 結 論
本文結合 G.723.1 的算法特點設計了向量處理器來分擔 CPU 的編解碼運算負擔，實際 測試結果表明該方法可以大大提高單 CPU 的編解碼速度，這使得單臺 IP 終端實現(xiàn)以 G.723.1 的編解碼方式進行三方通話有了高性價比的解決方案。
參考文獻
[1] ITU-T Recommendation G.723.1 Dual Rate Speech Coder For Multimedia Communications Transmitt
16、ing at
5.3&6.3kb/s,Geneva,1995
[2] ARM922T Technical Reference Manual (Rev 0),
Vector Processor for G.723.1 Speech Codec
Xing Yunfeng, Sang Lin
School of Telecommunication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing (100876)
Abstract
The
17、 running time is a key element of a speech codec．This paper presents the results of an investigation of employing configurable vector processors to accelerate the G.723.1 speech codec.
According to the objective test，it can highly improve the coding and decoding speed of the
embedded CPU.
Keywords: speech codec, vector processor, embedded processor, speech coding
用于 G7231 語音編解碼器加速的向量處理器研究
