可编程语音压缩专用处理器设计功放板

摘 要：为了提高通信系统的保密性，降低制造成本，需要进行专用处理器的设计。基于正弦激励线性预测(SELP)算法模型，设计了一款多速率语音专用处理器。芯片使用可重构体系结构和超长指令字(VLIw)，优化了高复杂度函数。仿真结果表明：该处理器对O．6 kb/s速率SELP算法的执行效率明显优于通用数字信号处理器(DSP)。处理器内部程序数据外部不可见，指令并行度显著提高，常用函数可被修改，从而达到高保密性、低复杂度、易开发性。
关键词：语音信号处理；语音压缩；专用清管器芯片；可重构体系结构；超长指令字

为了适应多种通信应用，需要使用不同的语音压缩编码算法。用数字信号处理器（DSP）实现存在编程难、保密性差、成本高等缺点。专用芯片(ASIC)只能实现单一算法，很难扩展，难以进行二次开发。
可重构体系结构，是指某一计算系统能够利用可重用的硬件资源，根据不同的应用需求，灵活地改变自身结构，以便提供与之相匹配的功能。已有可重构体系实现了语音算法的插齿机某些特定部分，如自适应多速率算法中的代数码本搜索、原型编码器中的小波变换以及有限脉冲响应滤波器等，但使用协处理器使硬件规模仍然偏大，且只能对一类语音算法适用。
使用可重构体系结构设计了一种可编程专用语音编解码芯片TRl00，指令系统使用超长指令字(VLIW)，使语音编码算法中常用的并行操作可以在该芯片上产生比通用DSP更高的执行效率。高复杂度子程序能够被多种类型的语音算法使用，避免引入协处理器，降低了二次开发编程的工作量。片内存储器在外部不能读取，提高了系统的保密性。

1 SELP算法
算法采用自行开发的基于正弦激励线性预测(SELP)模型的多帧联合编码算法，在线性预测正弦激励模型的基础上，引入多帧参数联合矢量量化方法，进一步压缩帧间冗余，使语音谱包络信息得到较好表示，在O．6 kb/s的极低速率下，可懂度达到90％以上。
O．6 kb/s速率采用多帧联合量化编码技术，将相邻3帧预测系数均转为线谱对系数(LSP)，采用基于模式的余量分裂多级矩阵量化(P-RS-MSMQ)算法。根据不同的信道状况与质量要求，算法还包括0．8 kb/s、 1．2 kb/s和2．4 kb/s另3种速率压缩方式，流程与O．6 kb/s算法基本相同，仅增加对余量信号的编码过程，其中需要进行512点快速Fourier变换(FFT)运算。

2 TR100芯片体系结构设计
芯片工作主频为20 MHz，采用取指译码执行3级流水线设汁，内部结构如图1所示。

TRl00芯片采用粗粒度可重构体系结构，基本的可重构硬件单元包括存储系统、运算单元、程序调度控制、寄存器、数据通路等。
存储系统包括闪存存储器(FLASH)和随机存储器(RAM)两部分。芯片内部包含2个32 kB数据FLASH、5个4 kB数据RAM。6个地址寄存器与3个地址运算单元可以分别独立存储器的地址控制与选择。
运算单元包括2个32 b增强型算术逻辑单元，可完成以加减运算为中心、包括规格化、算术移位、四舍五入等辅助逻辑的复杂运算功能；1个32 b乘法器；1个40 b乘累加器；1个16 b除法器。
程序调度控制有2级硬循环、比较跳转、比较设置、调用/返回等单元。两个可被同时访问的寄存器组各包含19个32 b寄存器，支持分层窗口式访问；6个32 b选通器作为数据通路将存储系统与运算部件进行互联。

3 超长指令字格式设计
在针对语音编码算法的专用处理器设计中，VLIW指令设计方法是非常适用的，它能在低复杂度的控制逻辑水平上产生较高指令并行性，使芯片在低主频下即可实现语音压缩算法。由于对资源并行度要求较高的程序模块数量不大，因此可以通过遍历所有运算量较大的模块，提取可用的指令并行模式，在硬件控制逻辑复杂度增加很小的前提下实现超长指令译码。
设计的VLIW指令系统包括基本指令形态和专用指令形态。基本指令形态包括1 6b、32b、48b、64 b等4种指令长度，并行程度低，用于设计对资源并行性要求不高的子程序。专用指令形态包括128 b、192 b、256 b等3种指令长度，并行程度高，用于设计算法中复杂度较高、要求资源高并行度的子程序。两类指令形态格式相同，从而可以使用相同的译码器进行译码，简化了电路设计。基本指令模块和专用指令模块分别从程序FLASH与程序RAM中取指，均能做到单周期取指单周期译码一单周期执行。指令格式包括4个字段：Length确定指令长度；SF确定本长度下选用的指令子格式；CF进行算子选择；OP进行算子编码。

4 算法程序向芯片的移植
使用软硬件协同设计，利用现有硬件的支持，可以编出高效率的代码。表1是在TRl00上实现常用程序模块的执行周期数与通用DSP对比结果，其木工锯中l表示滤波长度，p表示内积点数。

可以看到，压缩算法中运算量较大的模块，如滤波器、点积、矢量量化等，TR100的运行效率均明显高于DSP，甚至达到两倍以上。这是由于对于运算、存储单元访问密集的模块，硬件体系结构中各个独立单元可以用相应的指令格式并行访问。而对线性预测系数(LPC)计算与转换、数学函数等运算量不大、但各种语音算法都要使用的模块，芯片的运行效率也与DSP基本相当。这就保证了在移植其他算法时，受程序执行效率的限制较小，而可以专注于算法功能的开发。注入功能可对基本指令与专用指令进行修改，便于开发者对现有程序进行扩充。
以加权矢量量化为例，说明芯片的运算效率。线谱对系数使用多帧联合矢量量化，搜索运算量非常巨大。在SELP算法中，0．6 kb/s速率使用30维多级LSP码本，