作者：東南大學(xué) 張兵 金晶 凌明

        摘要：基于ARM7TDMI的SoC片內(nèi)AC97模塊和片外CODEC-UCB1400，采用ITU-T的G.721算法設(shè)計(jì)語(yǔ)音處理系統(tǒng);提出一種基于低端RISC核的語(yǔ)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案結(jié)合SoC的片內(nèi)eSRAM模塊進(jìn)行性能優(yōu)化；通過(guò)在流片后的實(shí)際樣機(jī)上驗(yàn)證，編碼速率為19.88 KB/s，解碼速率為22.68 KB/s，達(dá)到了語(yǔ)音實(shí)時(shí)性要求。

        關(guān)鍵詞：ARM7TDMI G.721 雙Buffer機(jī)制 eSRAM優(yōu)化

        引 言

        隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，許多嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。其中，各種語(yǔ)音處理系統(tǒng)不斷被開(kāi)發(fā)出來(lái)，在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，如語(yǔ)音報(bào)站器、自動(dòng)解說(shuō)裝置、采訪錄音筆等，為人類的生產(chǎn)、生活提供了極大的便利。本文基于東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的ARM7TDMI內(nèi)核的32位嵌入式SoC——SEP3203處理器，采用G.721標(biāo)準(zhǔn)ADPCM算法，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音信號(hào)的軟件實(shí)時(shí)編解碼，為語(yǔ)音處理應(yīng)用提供了一種有效的嵌入式解決方案。

        1 G.721標(biāo)準(zhǔn)概述

        1937年，A.H.Reeves提出脈沖編碼調(diào)制(PCM)，開(kāi)創(chuàng)了語(yǔ)音數(shù)字化通信的歷程。CCITT在20世紀(jì)80年代初，開(kāi)始研究低于64 Kb/s的非PCM編碼算法，先后制定通過(guò)了G.721、G.728、 G.729等編碼標(biāo)準(zhǔn)。其中，G.721協(xié)議作為ADPCM的典型算法，不僅具有與PCM近乎相同的語(yǔ)音質(zhì)量，而且有簡(jiǎn)單的算法結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的抗誤碼性能，在衛(wèi)星、海纜及便攜式數(shù)字語(yǔ)音設(shè)備等方面都有廣泛應(yīng)用。G.721算法的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。

        編碼過(guò)程：

        ① 計(jì)算Sl(k)與自適應(yīng)預(yù)測(cè)器輸出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k)；

        ② 通過(guò)自適應(yīng)量化模塊對(duì)E(k)進(jìn)行量化，得到ADPCM碼字I(k)；

        ③ 通過(guò)自適應(yīng)反量化模塊對(duì)I(k)計(jì)算得到量化差分預(yù)測(cè)信號(hào)Dq(k)；

        ④ 根據(jù)重建信號(hào)Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)；

        ⑤ 利用新的系數(shù)，計(jì)算得到Se(k+1)，重復(fù)上述5個(gè)步驟，壓縮下一個(gè)語(yǔ)音采樣數(shù)據(jù)。

        解碼過(guò)程：

        ① 通過(guò)自適應(yīng)反量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè)得到Dq(k)和Se(k)，得到語(yǔ)音重建信號(hào)Sr(k)；

        ② 對(duì)重建信號(hào)Sr(k)進(jìn)行PCM格式轉(zhuǎn)換，得到PCM碼字Sp(k)；

圖1 G.721編碼器和解碼器簡(jiǎn)化框圖

        ③ 采用與編碼器相同的方法更新預(yù)測(cè)濾波器系數(shù)；

        ④ 為實(shí)現(xiàn)雙向通信，同步調(diào)整Sp(k)；

        ⑤ 利用新的濾波器系數(shù)，重復(fù)上述5個(gè)步驟，解碼下一個(gè)I(k)。

        2 芯片簡(jiǎn)介

        SEP3203芯片為系統(tǒng)處理核心，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該芯片是東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)的基于ARM7TDMI的32位SoC，采用AMBA2.0標(biāo)準(zhǔn)，0.25μmCMOS工藝，主要面向嵌入式中低端手持設(shè)備。片上提供AC97控制器、外存接口EMI、6通道DMAC、TIMER、PMU、INTC等模塊。其中，語(yǔ)音系統(tǒng)使用的模塊有：EMI，負(fù)責(zé)控制對(duì)外存的訪問(wèn)；片上存儲(chǔ)器eSRAM，用于優(yōu)化耗時(shí)的核心代碼；AC97，提供AC97標(biāo)準(zhǔn)的音頻接口；DMAC，用于實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的DMA傳送。

圖2 SEP3203芯片結(jié)構(gòu)框圖

        3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 硬件系統(tǒng)

        硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。虛線框內(nèi)是片內(nèi)模塊；框外為片外器件，包括外存（SDRAM/SRAM/Flash等）、CODEC等