基于DSP的下一代車載娛樂系統(tǒng)

車載娛樂系統(tǒng)的技術發(fā)展趨勢正在變得日益復雜，通過銅纜發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的簡單音頻系統(tǒng)已經(jīng)成為過去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復雜的網(wǎng)絡處理變得越來越流行。特別是與數(shù)字傳輸內(nèi)容保護(DTCP)加密和解密方法相關的面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)光網(wǎng)絡正在被許多高擋和中檔汽車采用，這種趨勢以及車載音頻系統(tǒng)通常必須以變化的采樣頻率適應多種輸入源(調(diào)幅和調(diào)頻、CD、DVD、蜂窩電話和導航系統(tǒng)輸入)這個事實給數(shù)字信號處理器(DSP)供應商增加了壓力，要求他們提供增強性能和更高集成度的處理器。

基于MOST的車載高端娛樂系統(tǒng)

MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環(huán)境。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡能夠支持24.8Mbps的數(shù)據(jù)速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優(yōu)勢。

MOST總線基于環(huán)形拓撲，從而允許共享多個發(fā)送和接收器的數(shù)據(jù)。MOST總線主控器(通常位于汽車音響主機處)有助于數(shù)據(jù)采集，所以該網(wǎng)絡可支持多個主拓撲結構，在一個網(wǎng)絡上最多高達64個主設備。為了確保數(shù)據(jù)安全，總線主控器在上電時將查詢總線上的每一臺從設備并且完成自動密鑰交換(AKE)。如果從設備有一個有效的總線密鑰，那么允許它使用預定的協(xié)議發(fā)送和接收MOST總線上的數(shù)據(jù)。

MOST傳輸協(xié)議由分割成幀的數(shù)據(jù)塊組成，每一幀包含流數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。流數(shù)據(jù)與MOST時鐘同步并且不斷地在網(wǎng)絡中循環(huán)傳輸。分組數(shù)據(jù)與MOST時鐘異步，根據(jù)需要產(chǎn)生，其中一個例子就是來自無線個人數(shù)字助理(PDA)設備的電子郵件。幀中分配給流數(shù)據(jù)和分組數(shù)據(jù)之間的帶寬是可變的，以滿足系統(tǒng)在特定的時間需求，并且其控制字包含數(shù)據(jù)類型、在幀中什么地方可以找到數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)大小等流信息?？刂菩畔⒖梢栽诙鄠€幀中分配，并且應該在接收設備中重建。

音頻處理

圖2給出了一個簡單的基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)。來自DVD播放器音頻源內(nèi)容，例如PCM、AC3和DTS通過SPDIF鏈路傳送到主機。SPDIF鏈路將以音頻源的采樣頻率(FS_in1)工作，例如對于CD音頻為44.1kHz，對于AC3和DTS等DVD視頻內(nèi)容為48KHz。當要將編碼的音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡上時，在傳輸之前必須對傳輸內(nèi)容進行加密以阻止盜版拷貝。通常對于車載系統(tǒng)可選的加密機制是DTCP，該機制將在下面介紹。

ADI公司的BlackFin處理器架構非常適合于這種功能，因為它具有豐富的外設和優(yōu)化的指令集，從而能使它完成類似微控制器(MCU)的工作以及傳統(tǒng)DSP的工作。同時，導航系統(tǒng)公告(Navigation System Announcement)也必須通過MOST總線傳輸?shù)椒糯笃鳎栽试S駕駛員在駕駛時能夠聽到指令。這些基于PCM的信號通?；?2.24kHz立體聲，我們稱之為FS_in2。MOST收發(fā)器可收發(fā)多種音頻源信號，并且重新將數(shù)據(jù)安排成數(shù)據(jù)塊以便在總線上傳輸(如圖2所示)。

圖1：基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統(tǒng)

圖2：基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)原理圖

一些音頻數(shù)據(jù)包中可能采用DTCP加密(如FS_in1)，它們通過總線傳輸?shù)椒糯笃鞑糠?，而這部分通常位于汽車尾部(見圖3)。

圖3：放大器系統(tǒng)處理流程

當音頻源數(shù)據(jù)通過MOST總線發(fā)送后，DSP必須重構原始分組數(shù)據(jù)，并且如果數(shù)據(jù)是DTCP加密的，則需要將數(shù)據(jù)流解密為最初的形式。通過MOST總線傳輸?shù)母弊饔镁褪莵G失了源音頻的原始采樣速率，即使采用時鐘重構技術，原始的源采樣率也無法精確地重構，這將導致DSP緩存器中可聽到的“pop”聲以及聲音丟失。

為了進一步增加系統(tǒng)的復雜性，使用DTCP的加密技術已經(jīng)成為網(wǎng)絡應用中的必備條件，從而可為通過網(wǎng)絡的數(shù)字數(shù)據(jù)提供安全。DTCP有四層拷貝保護機制：拷貝控制信息(CCI)、設備鑒別和AKE、內(nèi)容加密和系統(tǒng)更新。

拷貝控制信息(CCI)是以通過網(wǎng)絡傳輸?shù)膬?nèi)容為基礎，并且它由內(nèi)容擁有者決定，例如“免費拷貝”、“禁止拷貝”、“不再拷貝”和“拷貝一次”。在交換任何內(nèi)容之前，網(wǎng)絡上的設備必須確定是否它們是原始內(nèi)容。有完全鑒權和受限訪問鑒權兩個級別。在密鑰交換之后，可通過網(wǎng)絡傳輸內(nèi)容。采用預定義基本密碼引擎加密和解密內(nèi)容，并且放入MOST傳輸協(xié)議的保護內(nèi)容包中，該保護包具有包頭簽名以識別已經(jīng)加密的內(nèi)容。

下一代系統(tǒng)問題的解決方案

基于網(wǎng)絡的車載娛樂系統(tǒng)的系統(tǒng)相關問題日益增加，為了解決這些問題，ADI公司已經(jīng)開發(fā)出了SHARC ADSP-21365處理器。

圖4：ADI公司用于車載娛樂的ADSP-21365 SHARC處理器

ADSP-21365是一款32/40b的浮點單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)信號處理器，它具有內(nèi)置4Mb的ROM，完全支持所有多聲道解碼器標準，例如Dolby Digital解碼器、DTS解碼器以及包括DPL2x、Neo6等后處理模塊。客戶專用后處理模塊可以在3Mb的內(nèi)部RAM上執(zhí)行，客戶利用Visual Audio(見后文)這樣的音頻專用開發(fā)工具能夠在較短的時間內(nèi)增加他們后處理的類別。

圖5：定點和浮點處理器的SNR值

為了解決多個音頻源采用不同基本采樣率的問題，ADI公司已經(jīng)將AD1896獨立的采樣率轉換器集成在到ADSP-21365中。它具有8個通道的采樣轉換和高達140dB的性能，多個音頻源不需要存儲器和MIPS開銷，并且所有的輸出后處理都能運行在單采樣速率條件下，以進一步減少數(shù)據(jù)流的復雜度。

其它音頻專用外設包括6個串行端口，并且支持TDM和I²S，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接與數(shù)字音頻源連接。

ADSP-21365 SHARC DSP也包括一個基于DTCP M6密碼引擎(與DTLA兼容)的硬件。外設具有兩個專用的DMA總線，在不需要內(nèi)核干涉的條件下，允許高速傳輸?shù)組6或者從M6傳輸，并且具有對加密和解密的本地支持。ADSP-21365實現(xiàn)了完成DTCP兼容系統(tǒng)的簡單設計途徑。密碼引擎支持密鑰動態(tài)更新的功能，用戶可以使用內(nèi)置定時器設置密鑰更新和改變的間隔周期，以增加在網(wǎng)絡上的安全性。

音頻處理包括FIR和IIR濾波器的密集使用。在遞歸運算中，由于信號的數(shù)字表示產(chǎn)生的量化誤差可能會引起音頻質(zhì)量的下降。高端音頻處理器，例如ADI公司的SHARC處理器，使用浮點表示音頻信號以減少這種誤差。

圖6：浮點和定點處理器的動態(tài)范圍比較

在高檔音頻系統(tǒng)中，通常聲音的質(zhì)量是通過如何準確地再現(xiàn)小幅度或非常安靜的聲音來衡量的。隨著音頻信號幅度變得越來越小，定點處理器精確再現(xiàn)這種信號的能力是有限的，但是對于浮點處理器而言，保持音頻等級的精度包含在固定的界限內(nèi)，并且具有186dB的最小SNR。SHARC處理器具有40b浮點精度和80b的累加器，從而可以實現(xiàn)非常高性能的音頻。

家庭影院音頻處理器的另一個重要特性就是動態(tài)范圍。動態(tài)范圍定義為在音頻處理器能夠沒有下溢或溢出條件下再現(xiàn)音頻信號幅度的最小值和最大值的比值。同樣的，浮點處理器遠遠超越了定點處理器所能實現(xiàn)的動態(tài)范圍。

隨著預解碼器算法和后解碼器算法的復雜度日益增加，實現(xiàn)家庭影院體驗需要的MIPS數(shù)或執(zhí)行周期數(shù)也始終在增加。為了解決這些問題，最顯然的方法就是增加信號處理器的時鐘頻率。

由于硅工藝的限制，這種方法實現(xiàn)起來有很多障礙，因此信號處理器供應商通過改進處理器架構來解決這個問題。一些信號處理器供應商已經(jīng)采用MIMD架構，即在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令同時完成多個數(shù)據(jù)移動。該架構需要更多的存儲器，因此直接影響到芯片的成本。SHARC處理器架構采用SIMD的創(chuàng)新方法，可采用相同的指令隱含地完成第二個平行的算術單元，因此使得代碼更緊湊從而可以降低完成這些算法所需的MIPS數(shù)。鑒于這種SIMD架構，音頻信號處理器無需額外的處理開銷可并行地處理立體聲信號。SHARC內(nèi)核基于完全互鎖的5階代碼流水線，這意味著程序員無需擔心數(shù)據(jù)什么時候可用即可隨時寫入代碼。算法流水線優(yōu)化為1個時鐘周期，這意味著計算結果在下一個周期立即提供以便進一步計算。

由于ADSP-21365 SHARC處理器提供車載音頻專用外設和基于32b浮點內(nèi)核的SIMD，所以它能使音頻系統(tǒng)達到新的性能水平。

使用Visual Audio定制音頻后處理設計

過去，DSP用戶面臨的挑戰(zhàn)就是最佳利用處理器時鐘周期和有效利用存儲器的軟件開發(fā)。采用匯編語言手動編碼音頻信號處理算法這種長期使用的方法已經(jīng)越來越不可行，特別是這種方法需要將大部分的精力放在創(chuàng)建標準的“項目清單”或“me-too”功能，而不是集中精力通過增加產(chǎn)品差異化價值。因此，需要一種開發(fā)音頻軟件的改進方法。

為了滿足這種需求，ADI公司開發(fā)出一種Visual Audio圖形環(huán)境以幫助設計和開發(fā)使用SHARC處理器系列的音頻系統(tǒng)。Visual Audio為音頻系統(tǒng)開發(fā)工程師提供了大部分的軟件模塊，以及直觀的圖形用戶截面，以便設計、開發(fā)、調(diào)試和測試音頻系統(tǒng)，如圖6所示。

圖7：Visual Audio圖形接口顯示屏示例

Visual Audio包含一個基于PC的圖形用戶界面(GUI，圖形工具)、一個DSP內(nèi)核以及一個可擴展的音頻算法庫。與ADI公司的VisualDSP++集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境(IDDE)配合使用，Visual Audio可提供對MIPS和存儲器利用都經(jīng)過優(yōu)化的現(xiàn)有產(chǎn)品代碼。通過簡化開發(fā)復雜數(shù)字信號處理軟件的過程，Visual Audio降低了開發(fā)成本、風險和時間。因此，音頻系統(tǒng)開發(fā)工程師能夠集中精力增加他們的音頻產(chǎn)品價值以使其與其它產(chǎn)品實現(xiàn)差異化。

Visual Audio工具允許設計工程師使用直觀的圖形工具集中精力開發(fā)定制后處理模塊，該圖形工具和強大的SHARC架構以及內(nèi)置ROM解碼器功能結合在一起，從而允許快速、簡化系統(tǒng)開發(fā)和產(chǎn)品配置。