基于ARM7TDMI内核SEP3203处理器的语音信号的软件实时编解码的实现

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                    ???? 本文基于东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心自主研发的ARM7TDMI内核的32位嵌入式SoC——SEP3203处理器，采用G.721标准ADPCM算法，实现了语音信号的软件实时编解码，为语音处理应用提供了一种有效的嵌入式解决方案。
　　1 G.721标准概述
　　1937年，A.H.Reeves提出脉冲编码调制(PCM)，开创了语音数字化通信的历程。CCITT在20世纪80年代初，开始研究低于64 Kb/s的非PCM编码算法，先后制定通过了G.721、G.728、 G.729等编码标准。其中，G.721协议作为ADPCM的典型算法，不仅具有与PCM近乎相同的语音质量，而且有简单的算法结构和优良的抗误码性能，在卫星、海缆及便携式数字语音设备等方面都有广泛应用。G.721算法的简化框图如图1所示。
　　编码过程：
　　① 计算Sl(k)与自适应预测器输出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k);
　　② 通过自适应量化模块对E(k)进行量化，得到ADPCM码字I(k);
　　③ 通过自适应反量化模块对I(k)计算得到量化差分预测信号Dq(k);
　　④ 根据重建信号Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新预测滤波器系数;
　　⑤ 利用新的系数，计算得到Se(k+1)，重复上述5个步骤，压缩下一个语音采样数据。
　　解码过程：
　　① 通过自适应反量化和自适应预测得到Dq(k)和Se(k)，得到语音重建信号Sr(k);
　　② 对重建信号Sr(k)进行PCM格式转换，得到PCM码字Sp(k);
　　③ 采用与编码器相同的方法更新预测滤波器系数;
　　④ 为实现双向通信，同步调整Sp(k);
　　⑤ 利用新的滤波器系数，重复上述5个步骤，解码下一个I(k)。




图2 SEP3203芯片结构框图
　　3 系统设计
　　3.1 硬件系统
　　硬件系统框图如图3所示。虚线框内是片内模块;框外为片外器件，包括外存(SDRAM/SRAM/Flash等)、CODEC等。Philips公司的UCB1400作为CODEC。以下为系统工作过程。




图4 编解码的软件流程
　　(1) 编码
　　首先对系统初始化，包括对AC97、CODEC、DMAC等模块配置，以及有关状态变量的初始化。然后，采样第1帧语音数据，采样结束进入DMA中断，在中断处理中再次配置DMAC，触发新的采样传输，并对刚采样的数据编码。由于编码由内核执行，采样由CODEC和DMA完成，故对第K帧编码和对第K+1帧采样是并发进行的。
　　(2) 解码
　　同编码过程类似，首先对系统进行初始化，然后解码第1帧音频数据。解码完配置DMAC，触发数据传送至AC97输出FIFO，通过放音设备播放录音。同样，解码第K+1帧数据与播放第K帧数据并发进行。
　　本设计采用“双Buffer”机制缓冲数据。“双Buffer”是指：开辟两个帧缓冲区为Buf0、Buf1，缓冲标志Flg初始为0。编码时，采样第1帧数据，DMA从AC97输入FIFO向Buf0传输数据，传 输完后，设置Flg=1，编码器从Buf0中取数据编码;同时，DMA向Buf1中传送新数据。周而复始，每帧数据采样完，设置Flg=!Flg，编码器从Buf!Flg缓冲区取数据编码，DMA传送采样数据的目的地址为Buf Flg，从而实现了第K+1帧数据采样和第K帧数据编码并发。只要编码速度高于采样速度，就不会出现数据的覆盖。处理过程如下(解码时的情况类似)：




　　到此，系统目标代码都是在SDRAM中运行的。SEP3203提供了一个很有用的模块——片内高速存储器eSRAM。eSRAM存取速度非常快，可达到0.89 MIPS/MHz，所以对系统性能有很大的优化作用，而SDRAM却只能有其性能的1/3左右。表2是在50 MHz时钟、32位ARM指令情况下,SDRAM和eSRAM的性能比较。各项指标的意义见参考文献。
　　但是，SEP3203的20K的资源是有限的，不可能也不必要将所有代码都放在其中执行。ARM集成开发工具提供了Profile功能，可以对整个程序进行统计分析，得到各部分代码(主要以标准C函数为单位)所耗时间占系统总时间的百分比。通过对软件系统做Profile分析，得到各编解码库函数在总编解码时间内所占的百分比，其中主要部分如表3所列。




　　进行内存映像后，rec_esram.c的目标代码rec_esram.o(约为1.5KB)就加载到eSRAM(起始地址为0x1fff0000)中执行了。表4是经过eSRAM优化后编解码速度测试结果。




　　从以上测试可以看出，在经过eSRAM优化后，无论是在裸机上还是在有操作系统的情况下，编解码速度都能满足语音实时性的需要，达到了设计要求。
　　结语
　　在设计一款面向多媒体应用的嵌入式系统时，实时性能非常重要。本文提出了一种基于ARM7TDMI内核的SoC中语音处理系统的设计方案，并根据该款SoC具有eSRAM的特点，进行了系统性能的优化。对样机的测试表明系统在主频70 MHz、有操作系统的情况下编码速率为19.88 KB/s，解码速率为22.68 KB/s，达到了语音系统的实时性要求。而且，如果语音处理作为样机的子系统应用，其硬件设计也支持MP3播放和LCD触摸屏的功能，实现了系统板面积减小、整机成本降低的目的，不失为一种高效价廉的设计方案。