低碼率語音編碼MELP的SOPC實現*

李 銳

(南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210003)

語音編碼技術在當今數字通信尤其在無線系統中發揮著越來越重要的作用。利用語音編碼技術可有效降低信息存儲量、提高信道利用率。混合激勵線性預測(MELP)語音編碼算法能在較低碼率下提供較高的語音質量、自然度和清晰度，已成為美國國防部新的2.4 Kb/s的語音編碼標準。

Nios II處理器是Intel公司為Altera公司推出的32位精簡指令處理器軟核。在Altera公司推出的軟件SOPC中加載Nios II軟核和相應的外圍接口以及與定義相應的自定義指令，對設計進行綜合，下載到FPGA中就可以方便地實現一個具有高速DSP功能的嵌入式處理器[1]。

由硬件實現復雜的算法通常比軟件實現更高效。利用Altera公司的Nios II嵌入式處理器的定制指令，可以把用戶自定義的功能直接添加到Nios II CPU的算術邏輯單元(ALU)中，以加快專項任務的執行速度。自定義指令的優勢就在于可以將程序代碼中的瓶頸部分改用硬件指令支持，用自定義的指令使程序得到加速。

1 MELP的構成

MELP聲碼器的采樣率為8 kHz，每個樣點值用16 bit量化，每 180個樣點為 1幀，幀長 22.5 ms，每幀量化 bit數為 54 bit，總的速率為 2.4 Kb/s。

MELP聲碼器是建立在傳統的二元激勵LPC模型基礎上，采用了混合激勵、非周期脈沖、自適應譜增強、脈沖整形濾波和傅氏級數幅度值等5項新技術，使得合成語音能更好地擬合自然語音。圖1所示為MELP編解碼原理框圖[2]。

2 Nios II可嵌入軟核的特點

Nios嵌入式處理器是用戶可配置的通用RISC嵌入式處理器，是一個非常靈活、強大的處理器，因此已成為世界上最流行的嵌入式處理器[3]；采用改進的哈佛存儲器結構，CPU帶有分離的數據和程序存儲器總線控制。SOPC Builder系統開發工具允許用戶容易地指定系統中Avalon控制器和從屬設備之間的連接，這些從屬設備可以是存儲器或外圍設備。

Nios指令總線為16位，用于從存儲器中讀取指令。Nios數據總線寬度為16位或32位，分別用于Nios CPU的16位或32位配置。

圖1 MELP編解碼原理框圖

2.1 指令系統

Nios指令系統支持C和C++程序編譯，包括算術和邏輯運算、位操作、字節讀、數據傳送、流程控制和條件轉移等指令。指令系統包含豐富的尋址方式以減少代碼長度和提高處理器性能。

2.2 寄存器組

Nios CPU有1個大容量的窗口化的通用寄存器組、8個控制寄存器、1個程序計數器和1個用于指令前綴的K寄存器。通用寄存器在16位Nios CPU中是16位，在32位Nios CPU中是32位。寄存器組可配置為包含128、256或512個寄存器。軟件可以通過包含32個寄存器的滑動窗口存取這些寄存器，滑動窗口的移動間隔是16個寄存器，且允許快速地進行寄存器切換，加速子程序的調用和返回。

2.3 高速緩存

可配置的Nios CPU可以有選擇地包含指令和數據高速緩存。高速緩存通常通過提供局部存儲系統提高CPU的性能，這個局部存儲系統可以快速地響應CPU產生的總線事件。Nios高速緩存的實現是采用簡單的直接映射的連續寫入結構，這種結構設計能夠用最少的器件資源獲得最大的性能[4]。

2.4 中斷處理

Nios處理器允許多達64個矢量中斷。中斷源有三類：外部硬件中斷、內部中斷和軟件中斷。Nios中斷處理模式能夠準確地處理所有內部中斷。

用戶可以有選擇地禁止TRAP指令軟件中斷、硬件中斷和內部中斷。這項選擇能夠減少Nios系統的大小，但只用于處理器不運行復雜軟件的系統。

2.5 硬件加速

Nios指令系統可以利用硬件提高系統性能。特殊的周期密集型軟件操作可以用硬件顯著地提高系統性能，這種特性通過修改指令系統提供[5]。

Nios處理器有2種指令系統修改方法：自定義指令和標準 CPU選項[6]。

2.5.1 自定義指令

開發者可以通過向Nios處理器指令系統中添加自定義指令加快時間要求嚴格的軟件算法，也可以用自定義指令在單周期和多周期操作中執行復雜的處理任務。另外，用戶添加的自定義指令邏輯電路可以訪問Nios系統外的存儲器和邏輯電路。

復雜的操作序列可以在硬件中簡化為單指令的執行。這種特性允許開發者為數字信號處理(DSP)、分組標題處理和計算密集操作優化自己的軟件。

Altera公司的SOPC Builder軟件提供了一個圖形用戶界面(GUI)，開發者利用GUI可以向 Nios嵌入式處理器中添加多達5個自定義指令。

2.5.2 標準CPU選項

Altera公司提供單獨的預定義指令來提高軟件性能。MUL和MSTEP指令就是與其他硬件一起實現的預定義指令。當用戶在SOPC Builder中選擇這些CPU選項時，相關邏輯被增加到算術邏輯運算單元(ALU)。例如，如果用戶選擇執行MUL指令，整數乘法器被自動地添加到CPU的ALU中，并在2個時鐘周期內完成16位與16位的乘法操作(相同的操作若用循環的軟件程序實現需要80個時鐘周期)。

3 MELP語音編碼的硬件構成

硬件電路板由Altera公司的FPGA芯片EP2C8作為主控芯片，此外還包括：8 MB容量的SDRAM、2 MB容量的Flash、WM8731音頻芯片，自帶音頻 D/A、A/D，為方便調試，另帶有串口。MELP語音編碼硬件構成如圖2所示。

圖2 MELP語音編碼硬件構成框圖

為便于程序的調試，擴充了RS-232串口，可與計算機串口直接互聯。8 MB容量的SDRAM可為Nios II軟核處理器運行嵌入式操作系統提供所需的存儲空間，2 MB容量的Flash也可為MELP的軟件編制提供存儲空間。WM8731音頻芯片提供快速的音頻編解碼數據碼流，并向揚聲器傳輸解碼后的數據流。

WM8731是一個低功耗的立體聲Codec芯片，內部集成了耳機放大功能，因此，WN8731也可以應用于MD、DAT 等 設備[7]；內建 了 24 bit(multi-bit)Σ-Δ 三 角 模數轉換和數模轉換，ADC和DAC都使用了超采樣數字插值技術；支持數字音頻的位數可以是 16 bit～32 bit，采樣率從8 kHz～96 kHz；立體聲音頻輸出帶有數據緩存和數字音量調節，WM8731通過2～3根的串行接口進行控制，可工作于主從模式。在3.3 V信號電壓時ADC可以達到90 dB的信噪比，1.8 V信號電壓時ADC可以達到85 dB的信噪比。3.3 V信號電壓時的DAC信噪比可以達到 100 dB，1.8 V信號電壓時 DAC信噪比也有 95 dB。ADC和 DAC的頻率響應都在 8 kHz～96 kHz之間，可以有選擇地使用ADC的高通濾波。一般情況下，WM8731都是在專業聲卡領域中使用。

各芯片之間的互聯通過引線連接到FPGA的IO腳。Nios II處理器的內部總線通過定義引腳連到IO，這樣需要連接到Avavon總線的芯片可通過IO腳連到總線上。圖3所示為WM8731CODEC芯片與主芯片FPGA的連接。

圖3 WM8731與FPGA的連接

串口方面，SDRAM及Flash使用Nios II自帶的基于Avalon總線的軟IP。

本文討論了MELP混合線性碼激勵的FPGA實現的硬件構成，介紹了硬件主要組成芯片及MELP編解碼的主要框架，可以用于下一步軟件程序的編制。

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[2]王炳錫.語音編碼[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3]BROWN S D， CAPALIIA D， FORT B， et al.A multithreaded Soft processor for SOPC area reduction[C].Field-Programmable Custom Computing Machines， 2006.FCCM’06.14th Annual IEEE Symposium on April，2006:131-142.

[4]SIEW K，SHOAIB M，SRIKANTHAN T.Modeling arbitrator delay-area dependencies in customizable instruction set processors[C].Electronic Design， Test and Applications，2006.DELTA 2006.Third IEEE International Workshop on 17-19 Jan，2006.

[5]ETIEMBLE D， BOUAZIZ S，LACASSAGNE L.Customizing 16-bit floating point instructions on a NIOS II processor for FPGA image and media processing[C].Embedded Systems for Real-Time Multimedia，2005.3rd Workshop on 22-23 Sept，2005:61-66.

[6]GE Zhi Guo， LIM H B， WONG W F.A reconfigurable instruction memory hierarchy forembedded systems[C].Field Programmable Logic and Applications，2005.International Conference on 24-26 Aug，2005:7-12.

[7]WOLFSON COMPANY.WM8731/WM8731L portable internet audio CODEC with headphone driver and programmable sample rates[M].Datasheet of Product，2009:1-7.