MPEG算法在列车运行监控系统中的应用

　　1.2 音频/语音编码器TMS320VC5402

　　数字音频/语音信号的压缩需要大量的数字信号处理，一般单片机是无法完成的，所以本系统中选用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402（以下简称‘C5402）对音频/语音信号进行压缩处理。‘C5402是TI 公司于1999年10月推出的54X系列定点DSP，操作速率达100MIPS，具有增强的多总线结构，三条独立的16位数据存储器总线和一条程序存储器总线；40位的算术逻辑单元，包括两个独立的40位累加器、17位×17位的并行乘法器和一个40位的桶形移位器；支持单指令循环和块循环，存储块移动指令提供了高效的程序和数据存储器管理，支持并行存储和并行加载的算术指令、条件存储指令和中断快速返回，支持定点DSP C语言编译器。

　　‘C5402通过它的多通道缓存串行口(McBSP)与音频/语音处理器UDA1341TS通信。McBSP提供了全双工的通信机制以及双缓存的发送寄存器和三缓存的接收寄存器，允许连续的数据流传输，数据宽度在8、12、16、20、24、32比特之间可选；McBSP与音频/语音处理器的通信通过BDR0引脚实现，通信过程的控制则由BCLKR0、BCLKR1、BFSR0等三条引脚实现。

　　1.3 CPLD低速控制

　　DSP作为高速的运算处理器不适合低速的控制应用。本系统中对UDA1341TS检测、初始化，对液晶显示LCD的控制以及对Flash的存储控制都是一些低速的控制。本系统采用Altera公司的EPM7128S CPLD来完成这些工作，这样就给系统的编程调试带来了极大的方便，缩短了开发周期。

　　2 运行软件开发

　　软件设计方面主要包括音频/语音数据的压缩编码以及音频/语音数据的差错校验。

　　2.1音频/语音数据编码

　　音频编码算法方面采用了目前通用的MPEGI-LayerII压缩编码算法，该算法是帧数据结构编码，一帧的样点值是1152，以处理器件UDA1341TS 的44.1kHz采样频率计算，一帧数据的编码要求在26ms内完成。语音编码算法方面采用了MPEG-2压缩编码算法。MPEG-2算法是MPEG-I算法的扩展，一帧的样点值是576，以处理器件UDA1341TS 的16kHz采样频率计算，一帧数据的编码要求在72ms内完成。而‘C5402的指令周期是10ns,对于这里的MPEG算法，在满足算法要求的情况下，进行双通道的实时编码最多需要15ms，所以‘C5402可以完成算法的实时编码。其算法流程如图3所示，主要包括以下几方面：(1)滤波器组的运算。(2)心理声学模型的运算。(3)量化编码。(4)帧数据格式化。[page]

　　滤波器组的作用是完成信号从时域到频域的映射。心理声学模型的计算是利用1024点的FFT，对输入的音频/语音信号进行频谱分析，再结合时频映射的结果，计算出各子带人耳的掩蔽特性。量化编码是由各子带人耳的掩蔽特性和输出比特率的要求，计算出各子带编码所需的比特分配信息，并且对各子带数据进行线性量化编码的过程。程序的后续工作是按照MPEG标准对数据进行格式化，其目的是为了使数据编码后能被正确地解码。系统主程序流程图如图4所示。

　　帧内编码是DSP按照MPEG标准把A/D转换器传来的数字音频/语音信号进行压缩编码。其流程如图5所示。

　　2.2数据的差错校验

　　2.2.1 校验原理

　　音频/语音数据的差错校验采用循环冗余 CRC-16校验方式，即被处理的数据块可以被看作是一个N阶的二进制多项式D(X)，如一个16位二进制数1010010110100101可以表示为：X15+X13+X10+X8+X7+X5+X2+1。多项式乘除法与普通代数多项式的乘除法运算相同，多项式的加减法以2为模，进行逻辑异或运算。采用CRC校验时，发送方和接收方采用同一个生成多项式S(X),并且S(X)的首位和最后一位的系数必须为1，本算法中S(X)采用多项式。CRC的处理方法是：发送方以生成多项式S(X)去除待处理的数据D(X），得到余数作为CRC校验码。校验时，以计算的校正结果是否为0来判断数据帧是否出错。

　　2.2.2 校验算法实现

　　用‘C5402来进行CRC校验的关键是运用其40位的累加器A作为移位寄存器，实现CRC码的模2多项式除法。此时CRC-16码占用累加器A的高16位，其余位补0。运算中利用SFTA(算术移位)和XOR(异或)指令完成编码过程中码的移位和异或操作，利用XC指令完成条件语句的判断执行。‘C5402提供了特殊指令BITT，BITT利用寄存器T取出一个16位数据中的第(15-T)位，并送入TC(TC是特殊寄存器中的一位)。具体算法步骤如图6所示。

　　（1）首先将CRC移位寄存器A (即余数寄存器)的高16位初始化为全0，其余位清0。

　　（2）将CRC移位寄存器A中的值左移一位，即最高位移入C中，然后利用指令BITT取出输入校验数据的最高位送入寄存器B，判断C中移入的最高位与输入校验数据的最高位异或之后是否为1。

　　（3）若为1，则将寄存器A中的值与输入寄存器B中的生成多项式X16+X15+X2+1进行异或后再跳到步骤(2)处理下一位；若不为1，直接跳到步骤(2)处理下一位。重复上述的数值左移和异或判断，直到输入的数据位全部处理完为止，则寄存器A的最高16位即为进行多项式除法后所得的余数，此时寄存器A的最高16位就是CRC校验码[2]。

　　系统上电运行后，经多次实验测试，运行情况稳定。目前该设备已经进行现场调试运用，开始部分装车运行，满足了列车监控记录的实际要求。

　　参考文献

　　1 UDA1341TS Product specification[Z].Netherlands: Philips Semiconductors,2002

　　2尹冬元，梁松海．40位以内任意长度的CRC计算及校验的实现[J]． 电子工程师，2003；(2)：17~18