1 G.721標準概述
1937年，A.H.Reeves提出脈沖編碼調制(PCM)，開創了語音數字化通信的歷程。CCITT在20世紀80年代初，開始研究低于64 Kb/s的非PCM編碼算法，先后制定通過了G.721、G.728、 G.729等編碼標準。其中，G.721協議作為ADPCM的典型算法，不僅具有與PCM近乎相同的語音質量，而且有簡單的算法結構和優良的抗誤碼性能，在衛星、海纜及便攜式數字語音設備等方面都有廣泛應用。G.721算法的簡化框圖如圖1所示。
編碼過程：
① 計算Sl(k)與自適應預測器輸出Se(k)的差值E(k)=Sl(k)-Se(k);
② 通過自適應量化模塊對E(k)進行量化，得到ADPCM碼字I(k);
③ 通過自適應反量化模塊對I(k)計算得到量化差分預測信號Dq(k);
④ 根據重建信號Sr(k)=Se(k)+Dq(k)和Dq(k)更新預測濾波器系數;
⑤ 利用新的系數，計算得到Se(k+1)，重復上述5個步驟，壓縮下一個語音采樣數據。
解碼過程：
① 通過自適應反量化和自適應預測得到Dq(k)和Se(k)，得到語音重建信號Sr(k);
② 對重建信號Sr(k)進行PCM格式轉換，得到PCM碼字Sp(k);
③ 采用與編碼器相同的方法更新預測濾波器系數;
④ 為實現雙向通信，同步調整Sp(k);
⑤ 利用新的濾波器系數，重復上述5個步驟，解碼下一個I(k)。
圖1 G.721編碼器和解碼器簡化框圖
2 芯片簡介
SEP3203芯片為系統處理核心，總體結構框圖如圖2所示。該芯片是東南大學國家專用集成電路系統工程技術研究中心自主設計的基于ARM7TDMI的32位SoC，采用AMBA2.0標準，0.25μmCMOS工藝，主要面向嵌入式中低端手持設備。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，語音系統使用的模塊有：EMI，負責控制對外存的訪問;片上存儲器eSRAM，用于優化耗時的核心代碼;AC97，提供AC97標準的音頻接口;DMAC，用于實現大數據量的DMA傳送。
圖2 SEP3203芯片結構框圖
3 系統設計
3.1 硬件系統
硬件系統框圖如圖3所示。虛線框內是片內模塊;框外為片外器件，包括外存(SDRAM/SRAM/Flash等)、CODEC等。Philips公司的UCB1400作為CODEC。以下為系統工作過程。
圖3 語音處理硬件系統框圖
① 編碼。CODEC采樣語音數據，暫存在AC97的輸入FIFO中。然后，由DMAC通過中斷方式，將數據傳送到指定存儲區域。在ARM7TDMI的控制下，運行G.721編碼程序，將語音PCM數據壓縮為ADPCM碼。
② 解碼。運行G.721解碼程序，把存儲器中的ADPCM碼解碼為PCM碼。每解滿1幀數據后，由DMAC通過中斷方式把數據傳送到AC97的輸出FIFO，通過CODEC驅動放音設備(耳機、揚聲器等)。
根據語音實時性的需要，設置UCB1400采樣速率為8 kb/s。該芯片用16位表示一個采樣點，故采樣速率為128 kb/s。編碼后，每個采樣點用4位表示，故傳輸率為32 kb/s。
3.2 軟件系統
軟件流程如圖4所示。每幀數據為64個采樣點，共計為128字節、16位表示的PCM碼，編碼后為32字節、4位表示的ADPCM碼。
圖4 編解碼的軟件流程
(1) 編碼
首先對系統初始化，包括對AC97、CODEC、DMAC等模塊配置，以及有關狀態變量的初始化。然后，采樣第1幀語音數據，采樣結束進入DMA中斷，在中斷處理中再次配置DMAC，觸發新的采樣傳輸，并對剛采樣的數據編碼。由于編碼由內核執行，采樣由CODEC和DMA完成，故對第K幀編碼和對第K+1幀采樣是并發進行的。
(2) 解碼
同編碼過程類似，首先對系統進行初始化，然后解碼第1幀音頻數據。解碼完配置DMAC，觸發數據傳送至AC97輸出FIFO，通過放音設備播放錄音。同樣，解碼第K+1幀數據與播放第K幀數據并發進行。
本設計采用“雙Buffer”機制緩沖數據。“雙Buffer”是指：開辟兩個幀緩沖區為Buf0、Buf1，緩沖標志Flg初始為0。編碼時，采樣第1幀數據，DMA從AC97輸入FIFO向Buf0傳輸數據，傳輸完后，設置Flg=1，編碼器從Buf0中取數據編碼;同時，DMA向Buf1中傳送新數據。周而復始，每幀數據采樣完，設置Flg=!Flg，編碼器從Buf!Flg緩沖區取數據編碼，DMA傳送采樣數據的目的地址為Buf Flg，從而實現了第K+1幀數據采樣和第K幀數據編碼并發。只要編碼速度高于采樣速度，就不會出現數據的覆蓋。處理過程如下(解碼時的情況類似)：
4 性能優化
語音處理的實時性要求很高，否則，若數據處理速度跟不上語音變化速度，就會在錄音時出現剛采樣的數據覆蓋了先采入但未處理的數據;在放音時，出現播放的速度比實際語音慢。當然，如果用足夠大的緩沖，可以避免錄音出現的問題，但放音出現的問題是無法避免的。同時，鑒于存儲資源對于嵌入式系統是很寶貴的，故此方案沒有實際價值。上文介紹的“雙Buffer”機制，能夠使采樣和編碼之間、解碼和播放之間分別互不影響、并發執行，易于控制;但要滿足實時性要求，還要使編解碼速度符合采樣和播放的要求。語音速率是8 KB/s，而系統中一個采樣點用16位表示，故編解碼速度不能低于16 KB/s(即每秒至少編碼16 KB的PCM碼，每秒至少解出16 KB的PCM碼)。表1是未對系統優化前，測試裸機無操作系統情況下，處理512 KB的PCM碼(對應128 KB的ADPCM碼)所用時間。該測試是使用SoC內部定時器TIMER進行的，見參考文獻。測試結果顯示,系統優化前沒有滿足語音實時性要求。
到此，系統目標代碼都是在SDRAM中運行的。SEP3203提供了一個很有用的模塊——片內高速存儲器eSRAM。eSRAM存取速度非常快，可達到0.89 MIPS/MHz，所以對系統性能有很大的優化作用，而SDRAM卻只能有其性能的1/3左右。表2是在50 MHz時鐘、32位ARM指令情況下,SDRAM和eSRAM的性能比較。各項指標的意義見參考文獻。
但是，SEP3203的20K的資源是有限的，不可能也不必要將所有代碼都放在其中執行。ARM集成開發工具提供了Profile功能，可以對整個程序進行統計分析，得到各部分代碼(主要以標準C函數為單位)所耗時間占系統總時間的百分比。通過對軟件系統做Profile分析，得到各編解碼庫函數在總編解碼時間內所占的百分比，其中主要部分如表3所列。
以上三個函數在總編解碼時間內占用了近80 %的時間(Quan()、Fmult()、Update()的功能分別為量化表查找、定點化的浮點數乘法、狀態變量更新)，對這些代碼優化就會明顯提高編解碼速度。把這些函數代碼整合到文件rec_esram.c中，然后加載remap.scf文件進行內存映像(*.scf文件是ARM ADS集成開發工具提供的鏈接腳本文件)。下面是remap.scf文件的內容：
進行內存映像后，rec_esram.c的目標代碼rec_esram.o(約為1.5KB)就加載到eSRAM(起始地址為0x1fff0000)中執行了。表4是經過eSRAM優化后編解碼速度測試結果。
在有操作系統的情況下，也對語音系統性能進行了測試，如表5所列。該操作系統為東南大學專用集成電路系統工程技術與研究中心自主研發的面向嵌入式應用的ASIXOS，提供圖形用戶界面、網絡、時鐘、實時中斷管理等支持和清晰的應用程序開發接口。語音系統為該OS環境中的一個應用，有獨立的用戶界面和底層服務。限于篇幅，本文不再詳述。
從以上測試可以看出，在經過eSRAM優化后，無論是在裸機上還是在有操作系統的情況下，編解碼速度都能滿足語音實時性的需要，達到了設計要求。
結語
在設計一款面向多媒體應用的嵌入式系統時，實時性能非常重要。本文提出了一種基于ARM7TDMI內核的SoC中語音處理系統的設計方案，并根據該款SoC具有eSRAM的特點，進行了系統性能的優化。對樣機的測試表明系統在主頻70 MHz、有操作系統的情況下編碼速率為19.88 KB/s，解碼速率為22.68 KB/s，達到了語音系統的實時性要求。而且，如果語音處理作為樣機的子系統應用，其硬件設計也支持MP3播放和LCD觸摸屏的功能，實現了系統板面積減小、整機成本降低的目的，不失為一種高效價廉的設計方案。