MPEG聲音編碼系統(tǒng)的單片DSP實(shí)現(xiàn)方案分析

　　MPEG聲音編碼是一種基于人耳聽(tīng)覺(jué)特性的子帶聲音編碼算法，它屬于一種感覺(jué)聲音編碼方法。感覺(jué)聲音編碼算法的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)編碼器著重于頻率分辨率還是時(shí)間分辨率，可分為子帶編碼器和變換編碼器.MPEG聲音第2層編碼算法在頻域上把聲音信號(hào)劃分為32個(gè)子帶，屬于一種子帶編碼器。在圖1 中，時(shí)頻映射也稱(chēng)濾波器組，用于把輸入的聲音信號(hào)映射成亞抽樣的頻率分量。根據(jù)使用的濾波器組的性質(zhì)，即濾波器組在頻域的分辨率的大小，這些頻率分量又可叫做子帶樣值或頻率線。
　　
　　a
　　
　　b
　　圖1　感覺(jué)聲音解碼器結(jié)構(gòu)框圖
　　濾波器的輸出或者與濾波器組并行的時(shí)頻變換的輸出，提供給心理聲學(xué)模型以估計(jì)時(shí)間相關(guān)的聲音掩蔽門(mén)限。心理聲學(xué)模型使用了人們所知的同時(shí)掩蔽效應(yīng)，包括有調(diào)音的掩蔽特性和無(wú)調(diào)音的掩蔽特性。如果使用聲音的前后掩蔽效應(yīng)，還可進(jìn)一步提高掩蔽門(mén)限估計(jì)的準(zhǔn)確性。子帶樣值或頻率線按照盡量保證量化噪聲的頻譜處于掩蔽門(mén)限以下的準(zhǔn)則進(jìn)行量化和編碼，這樣能保證被人耳感知的量化引入的噪聲最小。根據(jù)對(duì)復(fù)雜度的要求，可以使用塊壓擴(kuò)或熵編碼的分析合成方法。
　　幀打包把量化編碼的輸出和相關(guān)邊信息按照規(guī)定的格式組合起來(lái)，以便供解碼器使用。
　　2　編碼質(zhì)量和DSP速度
　　單片ADSP-2181實(shí)現(xiàn)MPEG聲音編碼關(guān)鍵需要解決兩個(gè)問(wèn)題：一是如何保證聲音編碼質(zhì)量;其次是如何充分利用DSP的運(yùn)算速度。而這兩個(gè)問(wèn)題往往又是一對(duì)矛盾，需要找到其最佳結(jié)合點(diǎn)。
　　一般而言，決定MPEG聲音編碼器的優(yōu)劣主要是聲學(xué)模型的好壞。但是，對(duì)于使用單片16bit定點(diǎn)DSP的應(yīng)用而言，這個(gè)結(jié)論就不再適用了。分析表明，此時(shí)有限字長(zhǎng)效應(yīng)對(duì)編碼質(zhì)量的影響成了主要矛盾。特別是分析濾波器組，截尾效應(yīng)竟帶來(lái)了33倍于16bitAD轉(zhuǎn)換量化誤差的噪聲，而窗系數(shù)的有限長(zhǎng)度表示則使本來(lái)高達(dá)96dB旁瓣衰減的濾波器響應(yīng)降低到不到70dB.因此，要保證聲音編碼質(zhì)量，分析濾波器組算法必須進(jìn)行精度擴(kuò)展。
　　關(guān)于速度問(wèn)題，首先想到的是使用快速算法，我們也嘗試了在子帶濾波中使用快速算法［4］。 但是，實(shí)踐證明，這些快速算法使用在DSP上效果并不理想，其原因有以下3條：（1）只考慮了加法和乘法的次數(shù)，而對(duì)附值、尋址等操作毫不關(guān)心，但對(duì)所有指令都是單周期的DSP而言，乘法和加法的次數(shù)相對(duì)其他操作并不顯得特別重要;（2）沒(méi)有考慮DSP的硬件特點(diǎn)，其算法不能充分發(fā)揮DSP的乘累加器（MAC）并行處理的能力;（3）ADSP-2181是為16位算法操作優(yōu)化的，在需要精度擴(kuò)展的情況下，運(yùn)算量將以數(shù)量級(jí)的速度急劇增加。
　　基于以上質(zhì)量和速度要求的分析，我們選用了適合DSP乘累加指令的多相結(jié)構(gòu)濾波器組實(shí)現(xiàn)方式，且采用基于MAC結(jié)構(gòu)的精度擴(kuò)展方法，較好地解決了編碼質(zhì)量和DSP速度之間的矛盾。另外，對(duì)抽樣數(shù)據(jù)的輸入方式、心理聲學(xué)模型、比例因子編碼都進(jìn)行了適于ADSP-2181的改進(jìn)，減少了運(yùn)算量，保證了實(shí)時(shí)性。
　　3　算法的軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)是MPEG聲音編碼的單片DSP實(shí)現(xiàn)的核心，編碼質(zhì)量和速度的要求都需要通過(guò)精心設(shè)計(jì)DSP軟件才能實(shí)現(xiàn)。
　　（1）基于MAC結(jié)構(gòu)的精度擴(kuò)展　MPEG聲音編碼的分析濾波器組可以有許多種實(shí)現(xiàn)方式，多相結(jié)構(gòu)是MPEG標(biāo)準(zhǔn)推薦的一種，其數(shù)學(xué)表示為
　?。?）
　?。?）
　　分析表明，對(duì)Yk進(jìn)行雙字?jǐn)U展可將截尾效應(yīng)帶來(lái)的噪聲降低33倍。但是，考慮到ADSP-2181只支持16bit的乘累加運(yùn)算，需要對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，即
　?。?）　 Yk=HYk+2-16LYk
　　（4）　
　　這樣，就可利用DSP的乘累加器結(jié)構(gòu)，運(yùn)算量只增加約1倍，存儲(chǔ)量只增加64個(gè)字。
　　（2）輸入數(shù)據(jù)的組織　輸入數(shù)據(jù)的組織不但要考慮方便地從數(shù)模轉(zhuǎn)換器取得聲音原始數(shù)據(jù)，還要考慮輸入數(shù)據(jù)在片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM的存儲(chǔ)適合作為多相濾波器組和聲學(xué)模型的FFT運(yùn)算的輸入。多相濾波器組每次移入32個(gè)新的聲音數(shù)據(jù)，移出32個(gè)舊的樣值，操作如下：
　　Xi=Xi-32，i=511，510，…，32
　　Xi=next-input-audio-sample，i=31，30，…，0
　　然而ADSP-2181并不適于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移動(dòng)，每個(gè)賦值運(yùn)算需要兩個(gè)指令才能完成，每次分析濾波操作需要1024個(gè)指令周期。如果利用ADSP- 2181的多通道自動(dòng)緩沖串口及間接尋址能力，適當(dāng)?shù)亟M織輸入聲音數(shù)據(jù)，就可利用滑動(dòng)窗的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的移入和移出，如圖2所示。
　　
　　圖2　多相濾波的滑動(dòng)窗技術(shù)
　　為了保證幀邊界處理的連續(xù)性，輸入數(shù)據(jù)緩存應(yīng)該設(shè)計(jì)成圓緩沖的形式，其長(zhǎng)度應(yīng)能存儲(chǔ)兩幀聲音輸入數(shù)據(jù)。當(dāng)DSP在處理一幀數(shù)據(jù)時(shí)，輸入數(shù)據(jù)可以緩沖到另一幀。這樣，數(shù)據(jù)移動(dòng)的開(kāi)銷(xiāo)就節(jié)約了。同時(shí)，輸入數(shù)據(jù)的組織還要利于聲學(xué)模型的FFT運(yùn)算，F(xiàn)FT需要利用ADSP-2181的地址反轉(zhuǎn)尋址模式。由于 FFT計(jì)算和輸入數(shù)據(jù)的緩存是同時(shí)進(jìn)行的，所以FFT計(jì)算的指針需要地址反轉(zhuǎn)，而輸入緩沖的指針卻不能地址反轉(zhuǎn)，否則會(huì)導(dǎo)致輸入聲音數(shù)據(jù)排列混亂。 ADSP-2181提供這種能力，它的第一地址指針組I0，I1，I2，I3有地址反轉(zhuǎn)能力，而第二地址指針組I4，I5，I6，I7卻不受地址反轉(zhuǎn)模式的影響。所以從第二地址指針組中選擇指針進(jìn)行輸入緩沖，從第一地址指針組中選擇指針進(jìn)行FFT計(jì)算。