基于TMS320VC5416的自适应变速率声码器
摘要：利用TMS320VC5416实现的一种高质量自适应变速率声码器。系统整体结构和工作流程，着重介绍了硬件接口方式以及实现自适应变速率的独特方法，并介绍了从片外FLASH上电加载大数据量程序的实现方法，最后统计出了整个算法对硬件资源的占用情况。在当前的各种通信系统中，实时的语音编解码通常都在数字信号处理器（ＤＳＰ）上实现。ＴＩ公司生产的Ｃ５４系列ＤＳＰ具有高性能、低功耗的特点，许多语音编解码算法都可以在它上面实现。但传统的语音编解码算法都是固定速率的，它们无法适应不断变化的网络情况和满足质量要求，缺乏灵活性。而且，一般的单速率语音编解码算法的程序量大都在３０ＫＷｏｒｄ以下，运算量也大都在３０ＭＩＰＳ以下。ＴＩ公司新近推出的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６芯片拥有１２８ＫＷｏｒｄ的片上ＲＡＭ空间和１６０ＭＩＰＳ的运算能力，只承载单一速率的语音编解码算法显然是一种极大的浪费。
清华大学自主开发的正弦激励线性预测（ＳＥＬＰ）系列低速率语音编码算法由于采用了合理的激励模型，在２．４ｋｂｐｓ、１．２ｋｂｐｓ和０．６ｋｂｐｓ三个速率上都具有很好的重建语音质量。其中，２．４ｋｂｐｓ速率算法的重建语音质量与国际上流行的相同速率的高质量ＡＭＢＥ算法相当，０．６ｋｂｐｓ算法重建语音的可懂度也能达到９０％以上，十分适合应用在各种军用语音通信系统中。
本文详细介绍了利用ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６ ＤＳＰ实现的自适应变速率ＳＥＬＰ声码器。该声码器可根据不同的速率要求自动实时地切换到不同速率的算法进行语音通信，具有很好的通用性和灵活性。
１ 声码器系统的结构和原理
声码器通信系统是建立在通用的ＭＯＤＥＭ平台上的，可以按照２．４ｋｂｐｓ、１．２ｋｂｐｓ和０．６ｋｂｐｓ中的任一个速率实现全双工语音通信。图１为整个通信系统的原理框图。
ＭＯＤＥＭ平台负责对数字码流进行调制解调和通信，声码器则负责按照ＭＯＤＥＭ的要求对语音进行编解码。ＭＯＤＥＭ把话筒提供的模拟语音送给声码器编码并将声码器的解码语音送给听筒。ＭＯＤＥＭ还负责给声码器提供码流传送时钟，声码器则按照这个时钟与ＭＯＤＥＭ交换数字码流。另外，ＭＯＤＥＭ和声码器之间还有一些控制信号线用来彼此交换状态信息。表１是ＭＯＤＥＭ和声码器之间的主要接口关系。
表1 MODEM和声码器的主要接口
功 能
AinMODEM至声码器模拟语音输入Aout声码器至MODEM模拟语音输出CLKMODEM至声码器码流传送时钟，声码器按照CLK的频率进行编解码TXD声码器至MODEM声码器至MODEM的数据线，在CLK的下降沿有效RXDMODEM至声码器MODEM至声码器的数据线，在CLK的`上升沿有效PTTMODEM至声码器PCM码有效标志RTS声码器至MODEM发送码流有效标志CDMODEM至声码器接收码流有效标志虽然ＭＯＤＥＭ可以根据网络条件和外界要求自动改变速率，但是却没有专门的信号线用来通知声码器进行速率转换。注意到码流传送时钟ＣＬＫ是根据速率要求实时变化的，所以声码器通过检测ＣＬＫ的频率就可以得到当前的速率转换信息。
声码器的核心部分是一片ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１６ ＤＳＰ芯片，负责编解码和控制工作。另外，还有一片ＴＩ公司生产的ＴＬＣ３２０ＡＩＣ１０芯片，负责语音的数模／模数（ＡＤ／ＤＡ）转换；一片ＦＰＧＡ，负责数字逻辑转换；一片２Ｍｂｉｔ容量的８位ＦＬＡＳＨ存储器２９ＬＶ０２０，负责存储所有程序和数据并在上电时加载到ＤＳＰ的片内ＲＡＭ上。声码器还有一个软件狗对系统工作状态进行实时监控，并在需要时对整个声码器进行复位。图２是声码器的原理框图。