深度探討高清音頻IC設(shè)計(jì)難題

視頻流和圖像繪制技術(shù)的進(jìn)步，極大地提高了高清 (HD) 運(yùn)動(dòng)圖像的質(zhì)量。加上家庭娛樂中心逐漸流行，這些因素已成為追求“家庭影院”體驗(yàn)以及便攜式電子設(shè)備發(fā)展的重要推動(dòng)力。除了高清視頻之外，高清音頻(HD Audio)也隨之引入，為日益擴(kuò)大的多媒體娛樂世界增加更豐富的音頻體驗(yàn)。本文將對(duì)高清音頻市場(chǎng)的三大領(lǐng)域予以介紹，即

● 數(shù)字電視–DTV

● 機(jī)頂盒–STB

● 藍(lán)光DVD

根據(jù)最新報(bào)道，預(yù)計(jì)到2011年，DTV、機(jī)頂盒和藍(lán)光DVD的銷售量將分別達(dá)到1.87億、1.6億及1.16億臺(tái)。除此之外，A/V接收器、高清便攜式攝像機(jī)、IPTV及手機(jī)等其他市場(chǎng)領(lǐng)域也將大幅增長(zhǎng)。

不過，在處理要求、音頻聲道、比特率和精度要求方面，標(biāo)清和高清音頻規(guī)范之間存在著很大的差異。高清音頻系統(tǒng)的眾多新要求，不單影響著集成電路(IC)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，而且也給這些新設(shè)備實(shí)現(xiàn)高質(zhì)音頻帶來了重大挑戰(zhàn)。

本文將介紹各種不同的高清媒體分發(fā)技術(shù)，探討IC 設(shè)計(jì)人員面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并提出高效實(shí)現(xiàn)高清音頻的解決方案和設(shè)置方法。

圖1 7.1音箱系統(tǒng)的放置

高清音頻的應(yīng)用機(jī)會(huì)

下面介紹高清音頻的三大主要應(yīng)用機(jī)會(huì)。

1 數(shù)字電視(DTV)

數(shù)字電視(DTV)使用分立(數(shù)字)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)圖像和聲音的發(fā)送與接收。從模擬電視到數(shù)字電視的轉(zhuǎn)換始于1990年代末期，而因?yàn)樗峁┝巳轿坏男律虣C(jī)，所以很快成為了電視廣播和消費(fèi)電子行業(yè)備受矚目的技術(shù)。在早期采用DTV的國(guó)家中，荷蘭和芬蘭分別在2006年和2007年就完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換;而美國(guó)從2009年6月12日起，國(guó)內(nèi)所有的電視臺(tái)都將只使用數(shù)字模式來播送節(jié)目。另一方面，英國(guó)已開始向DTV的轉(zhuǎn)換，并預(yù)定在2012年全面實(shí)現(xiàn)DTV廣播。中國(guó)方面則計(jì)劃到2015年完成到DTV廣播的轉(zhuǎn)換。

從模擬向數(shù)字廣播或播放的轉(zhuǎn)換有一個(gè)重大挑戰(zhàn)，就是高清音頻應(yīng)用所需的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)流量。任何基于IC的高清音頻解決方案要獲得成功，都需要在開發(fā)和實(shí)現(xiàn)階段把這一點(diǎn)考慮在內(nèi)。DTV的另一個(gè)挑戰(zhàn)是必須降低消費(fèi)者的成本，因?yàn)橄駾TV 的轉(zhuǎn)換是強(qiáng)制性的，消費(fèi)者必須按照法規(guī)決議更換新電視，因此他們會(huì)對(duì)價(jià)格非常敏感。

2 機(jī)頂盒(STB)

機(jī)頂盒(STB)是一種連接電視機(jī)和外部信號(hào)源，并把信號(hào)轉(zhuǎn)換為能夠在電視機(jī)屏幕上顯示的內(nèi)容的設(shè)備。數(shù)字機(jī)頂盒可以幫助沒有內(nèi)置數(shù)字調(diào)諧器的電視機(jī)接收數(shù)字電視廣播節(jié)目。在直接廣播衛(wèi)星系統(tǒng)中，機(jī)頂盒是一個(gè)集成式接收器/解碼器。

在美國(guó)等市場(chǎng)，由于模擬廣播將于2009年終止，因此音頻質(zhì)量成為機(jī)頂盒制造商關(guān)注的焦點(diǎn)，以確保音頻信號(hào)具有和視頻輸出相匹配的質(zhì)量。

3 藍(lán)光光盤

藍(lán)光光盤(也稱作“藍(lán)光”或“BD”)是一種光盤存儲(chǔ)媒體。藍(lán)光這個(gè)名稱源于這種磁盤格式采用藍(lán)色激光(實(shí)際上是紫藍(lán)色的)來進(jìn)行讀寫，主要用于高清視頻和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于藍(lán)光光盤的光束波長(zhǎng)(405nm)遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于標(biāo)準(zhǔn)DVD編碼所用的波長(zhǎng)(650nm)，故它的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量相比也大得多。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙層藍(lán)光光盤可以存儲(chǔ)多達(dá)50GB的數(shù)據(jù)，差不多比雙層DVD多6倍，比單層DVD更是高出10倍。

在2008年2月的一項(xiàng)重要公布中，東芝表明退出HD-DVD播放器和錄像機(jī)業(yè)務(wù)，至此，以東芝為代表的HD-DVD陣營(yíng)和以索尼為代表的藍(lán)光光盤陣營(yíng)之間的光盤格式大戰(zhàn)終于塵埃落地。這使藍(lán)光一舉成為領(lǐng)先的多媒體高清記錄媒體。目前有大約1000部各種語言的電影以藍(lán)光光盤發(fā)行，而在HD-DVD和藍(lán)光陣營(yíng)之間的格式大戰(zhàn)結(jié)束之后，市場(chǎng)預(yù)計(jì)這個(gè)數(shù)字將會(huì)大幅增長(zhǎng)。

強(qiáng)制性的藍(lán)光格式音頻編解碼器

藍(lán)光格式規(guī)范定義了兩套可在藍(lán)光播放器中實(shí)現(xiàn)的編解碼器。其中第一套是強(qiáng)制性的，必須用作藍(lán)光光盤的主要音頻聲道。這些編解碼器包括：

● DTS–一種用于商業(yè)/影院應(yīng)用和視頻游戲等消費(fèi)應(yīng)用的多聲道數(shù)字環(huán)繞聲格式。

● 杜比數(shù)字或AC-3–一種可容納多達(dá)6個(gè)分立式音頻聲道的編解碼器，最大編碼比特率為640kb/s，而35mm電影膠片使用320kb/s的固定速率，DVD視頻光盤則限于448kb/s。

● 線性PCM–一種采樣頻率為48kHz或96kHz、每樣本16，20或24位，可容納多達(dá)8個(gè)音頻聲道的無壓縮音頻格式。最大比特率為6.144MB/s。

藍(lán)光格式的可選音頻編解碼器

藍(lán)光格式的可選音頻編解碼器包括有損和無損編解碼器。有損編解碼器包括：

● 杜比數(shù)字 Plus–一種基于AC-3的增強(qiáng)型有損編解碼器，可支持高達(dá)6.144Mb/s的比特率和7.1音頻聲道。它還能提供更先進(jìn)的編碼技術(shù)，降低壓縮失真(compression artifact)，并后向兼容現(xiàn)有的AC-3硬件。

● DTS高清高分辨率音頻–一種可擴(kuò)展原始DTS格式的有損編解碼器，支持96kHz和24位深度分辨率的7.1聲道。DTS-HD高分辨率音頻可提供高達(dá)6.0Mb/s的恒定比特率。

無損編解碼器則有：

● 杜比數(shù)字TrueHD–一種主要用于高清家庭娛樂設(shè)備(如藍(lán)光光盤)的高清多聲道音頻編解碼器。最大編碼比特率為18Mb/s(未壓縮速率)。這已顯示了高清音頻的高數(shù)據(jù)流量要求。

● DTS-HD主音頻–以前被稱為DTS++或DTS-HD，是原始DTS編解碼器的擴(kuò)展版本。這是一種無損音頻，具有高達(dá)24.5Mb/s的可變比特率，并支持192kHz采樣頻率和24位信號(hào)分辨率的7.1分立式聲道。

藍(lán)光高清音頻用例

一個(gè)高清音頻的計(jì)算密集型藍(lán)光使用案例包含主音頻(main audio)和子音頻(sub audio)流，以及一個(gè)音效流(effects stream)。主音頻流可結(jié)合DTS-HD 主音頻(見前述藍(lán)光光盤一節(jié))或杜比TrueHD 7.1聲道，用于播放光盤。子音頻流可采用DTS-HD Express或杜比數(shù)字Plus，以獲得額外的數(shù)據(jù)，例如，從互聯(lián)網(wǎng)下載電影中的導(dǎo)演加注。音效流則是一個(gè)簡(jiǎn)單的PCM音頻流，為屏幕菜單增添音效的選擇。

編碼流可使用DTS 5.1編碼器或杜比數(shù)字5.1編碼器，而編碼必須把數(shù)據(jù)以壓縮的格式傳送給一個(gè)兼容的音頻/視頻接收器(比如經(jīng)由S/PDIF電纜)?；旌闲盘?hào)在發(fā)送給揚(yáng)聲器之前可能需要后處理功能，以補(bǔ)償聲音失配播放環(huán)境或各種不同的音頻不完整性。

圖2 5.1編碼系統(tǒng)

高清音頻IC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)高清音頻IC時(shí)，有若干因素需要考慮。高清音頻最重要的特性是數(shù)據(jù)流量，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的音頻應(yīng)用，高清音頻數(shù)據(jù)流量大大提高。僅對(duì) I/O而言，這種數(shù)據(jù)流量在某些編解碼器就可能達(dá)到24.5Mb/s的輸入速率和在27.6Mb/s的輸出速率下達(dá)致每秒96kHz×8×24位的輸出。這就需要一種新的IC設(shè)計(jì)方案來確保這些挑戰(zhàn)得到解決，同時(shí)保證音頻的質(zhì)量。

另外，一些采樣頻率達(dá)192kHz、帶6個(gè)或8個(gè)聲道，并且運(yùn)算精度很高的無損音頻編解碼器，如DTS-HD主音頻或杜比TrueHD，它們的計(jì)算要求極高。如果不予以改進(jìn)，單單一個(gè)編解碼器就可能消耗掉傳統(tǒng)DSP的全部MHz預(yù)算。

性能要求

如上所述，高清音頻實(shí)現(xiàn)方案(如藍(lán)光光盤應(yīng)用)的數(shù)據(jù)處理要求非常高。在如此高的數(shù)據(jù)率下，很多現(xiàn)有的單核DSP解決方案都無法保證高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理，故業(yè)界不少解決方案開始傾向于采用能夠滿足視頻結(jié)合音頻的處理開銷要求的雙內(nèi)核方案。

而且，在DSP解決方案的實(shí)現(xiàn)中，除了強(qiáng)制性及可選音頻編解碼器之外，還需要許多后處理功能，而這些后處理功能正是眾多實(shí)現(xiàn)方案的差異化因素。由于在處理最小的高清音頻編解碼器時(shí)，許多單核DSP都會(huì)有過載的情況，所以幾乎沒有什么剩余能力可言，即便有，也差不多都是用于強(qiáng)制性后處理。

芯片尺寸/功耗考慮

由于制造商和設(shè)計(jì)人員不得不應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)，把所有必要的處理功能全部塞入尺寸越來越小的芯片中，這使現(xiàn)有的芯片尺寸也面臨著巨大的壓力。采用多核解決方案雖然可以提供這些處理能力，但芯片尺寸、相應(yīng)的價(jià)格增加和驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)所需的電能之間的權(quán)衡都可能往往令人望而卻步。特別在滿足具有特殊功率和外形尺寸限制的高清設(shè)備(如便攜游戲機(jī))要求時(shí)，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵。

即使對(duì)于非移動(dòng)設(shè)備，功耗也是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)樗绊懙皆O(shè)備的散熱性能。較高的功耗可能需要某些冷卻手段，從而對(duì)產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)造成影響。

任務(wù)切換的存儲(chǔ)器交換

高清音頻系統(tǒng)中必須執(zhí)行大量并行任務(wù)，故需要非常頻繁的存儲(chǔ)器交換。這些交換必然會(huì)致使存儲(chǔ)器帶寬過載，讓系統(tǒng)無法處理增加的總線流量，最終快速降低音質(zhì)。另外因?yàn)橹噶罴３２捎?2位格式編寫，這又使得指令更大，指令間間隔更長(zhǎng)，進(jìn)一步加劇數(shù)據(jù)過載問題，而16位指令集可以減輕這種負(fù)載。在數(shù)據(jù)方面，某些高清音頻編解碼器需要100Kb以上的數(shù)據(jù)RAM外加相當(dāng)大的數(shù)據(jù)表，也就是強(qiáng)制要求利用存儲(chǔ)器交換以高效利用RAM存儲(chǔ)器。

慢速外部存儲(chǔ)器存取OUND-COLOR: rgb(255,255,255); orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">　　許多在DSP上運(yùn)行的音頻算法傳統(tǒng)上均以非序列(non-sequential)的方式對(duì)大容量緩存進(jìn)行存取。一般而言，這些緩存都太大，無法駐留在處理器的片上存儲(chǔ)器中，故它們必須置于速度較慢的外部存儲(chǔ)器中，如DDR SDRAM。另外，非序列存取也給維持高性能的目標(biāo)帶來一個(gè)挑戰(zhàn)。由于音頻解碼器常常與視頻解碼器爭(zhēng)奪數(shù)據(jù)總線吞吐量，故存儲(chǔ)器存取效率非常重要。要提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，就必須解決這個(gè)難題以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

解決難題

要解決影響高清音頻DSP領(lǐng)域的眾多問題，需要一個(gè)基于功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器的系統(tǒng)，其中應(yīng)包括合適的軟件和外設(shè)。CEVA-HD-Audio就是這種高清音頻系統(tǒng)的實(shí)例，它是一個(gè)全面完善的單核DSP解決方案，能夠滿足最嚴(yán)苛的高清音頻使用案例的要求。

CEVA-HD-Audio是基于CEVA-TeakLite-III DSP內(nèi)核的系統(tǒng)。CEVA-TeakLite-III擁有本地32位處理能力和雙乘法累加(Multiply-Accumulate， MAC)架構(gòu)，是需要先進(jìn)音頻標(biāo)準(zhǔn)的高清音頻應(yīng)用的理想DSP方案。另外，CEVA-TeakLite-III還具有良好平衡的10級(jí)管線，使其內(nèi)核在65nm工藝下的運(yùn)作頻率仍超過550MHz(在最差條件和工藝)。CEVA-HD-Audio集成了一個(gè)帶有32位寄存器文件、64位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)帶寬、32×32位乘法器和自動(dòng)32位飽和的本地32位SIMD DSP處理器。CEVA-TeakLite-III還具有一個(gè)帶有完善MAC指令集的雙16×16 MAC，可實(shí)現(xiàn)語音/VoIP和全面的流處理位操作(bit-manipulation)功能，這對(duì)流處理十分有用。除了帶有多精度點(diǎn)的固有32位數(shù)據(jù)處理功能之外，單周期32位MAC單元還包括用于無損編解碼器的72位MAC累加，和獨(dú)特的單精度與雙精度FFT蝶形指令(butterfly instruction)，以及一個(gè)2/4周期內(nèi)核。

圖3 CEVA TeakLite-III結(jié)構(gòu)框圖

CEVA-TeakLite-III架構(gòu)嵌入了CEVA-Quark指令集，是全面的獨(dú)立式嵌入緊湊型指令集架構(gòu)(ISA)。這種獨(dú)特的ISA旨在僅利用16位指令，減小芯片的尺寸和成本，同時(shí)降低功耗，減少存儲(chǔ)器存取次數(shù)。CEVA-Quark ISA是一套完整的指令，包括存儲(chǔ)器存取、算術(shù)與乘法運(yùn)算、邏輯、移位和流處理位操作指令以及控制操作。應(yīng)用程序開發(fā)人員還可以把CEVA-Quark指令與其他更先進(jìn)的CEVA-TeakLite-III指令相混合，無須切換到不同的運(yùn)作模式。這種組合特性可使代碼量減少4倍，周期數(shù)減少了近9倍。

利用單核實(shí)現(xiàn)高性能高清音頻

上面提到的處理效率，顯示CEVA-TeakLite-III能夠利用單核DSP，輕松提供完整的高清音頻支持。由于它擁有更小的存儲(chǔ)器，所以尺寸更小，性能更高，比市場(chǎng)上其他競(jìng)爭(zhēng)解決方案更為優(yōu)勝。單核實(shí)現(xiàn)方案也意味著不論從硬件還是軟件的角度來看，應(yīng)用開發(fā)和集成都更為容易。

本地音頻處理

CEVA-HD-Audio具有32位本地處理能力，故能為高清音頻算法提供很高的精度。此外，64位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器帶寬可確保DSP不斷有數(shù)據(jù)樣本與系數(shù)饋入，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，CEVA-HD-Audio解決方案還備有一套完整的音頻編解碼器。音頻編解碼器算法設(shè)計(jì)使用一個(gè)普通的DMA引擎，使數(shù)據(jù)傳送和算法執(zhí)行能夠并行進(jìn)行，有助音頻算法和編解碼流程。另外，CEVA-HD-Audio還包含了一個(gè)帶有指令緩存的存儲(chǔ)子系統(tǒng)、用于數(shù)據(jù)的緊密耦合存儲(chǔ)器和AHB/APB系統(tǒng)接口(包括主和從接口)。這些特性能幫助CEVA-HD-Audio用戶滿足復(fù)雜音頻使用案例、外部存儲(chǔ)器存取的高延時(shí)和有限的系統(tǒng)速度等嚴(yán)苛要求。它們也易于集成到基于CPU的SoC中，可以實(shí)現(xiàn)完整音頻系統(tǒng)的快速產(chǎn)量提升。

高清音頻的軟件開發(fā)

一套包括C編譯器、匯編器、鏈接器、代碼庫、調(diào)試器和仿真器的完整的軟件開發(fā)工具也是非常重要的，因?yàn)樗鼈兡軌驇椭脩粞杆俜奖愕剡M(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和集成。一個(gè)基于GUI的開發(fā)環(huán)境也讓編程人員能夠輕松遵循不同的處理流程，提高編程、編譯和調(diào)試流程的效率。