SoC設(shè)計(jì)中杜比數(shù)字加的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化

關(guān)鍵詞： SoC , 杜比 , 數(shù)字加

杜比數(shù)字加——最新一代的杜比數(shù)字技術(shù)，正在進(jìn)入下一代家庭娛樂應(yīng)用，將給人們帶來超級(jí)的音質(zhì)，更高效率的音頻壓縮，以及更完善的用戶體驗(yàn)。杜比數(shù)字加，或者叫做增強(qiáng)型AC-3(E-AC-3)，已經(jīng)發(fā)展到能夠滿足目前尚處于萌芽階段的兩個(gè)市場(chǎng)(即高清DVD和藍(lán)光播放機(jī))的各種需求。對(duì)于新興的高清DVD和藍(lán)光播放機(jī)來說，杜比數(shù)字加的數(shù)據(jù)壓縮能力使得人們能夠在電影制作室里實(shí)現(xiàn)高清視頻與超級(jí)語(yǔ)音體驗(yàn)的完美結(jié)合。該技術(shù)同樣還可以提升最新的數(shù)字電視機(jī)頂盒的性能，使得廣播公司能夠以較低的比特率來開展業(yè)務(wù)，降低成本并增加靈活度，從而受益于消費(fèi)者。  

在一個(gè)芯片或一個(gè)系統(tǒng)能夠使用杜比數(shù)字加標(biāo)識(shí)之前，嚴(yán)格的認(rèn)證測(cè)試是必不可少的。MIPS科技公司與杜比實(shí)驗(yàn)室一道，研發(fā)出了最優(yōu)的、在其32位綜合處理器內(nèi)核的任意一個(gè)上面運(yùn)行的測(cè)試版杜比數(shù)字加，這將大大縮短音頻系統(tǒng)的研發(fā)時(shí)間。  

家庭娛樂市場(chǎng)上的新興標(biāo)準(zhǔn)  

高清DVD和藍(lán)光盤：杜比數(shù)字加在高清DVD規(guī)范中是強(qiáng)制性的，而在蘭光盤中是可選的。該規(guī)范還支持多路分離的語(yǔ)音流，使得一部電影可以同時(shí)跑在多個(gè)獨(dú)立的音道上或者支持多種語(yǔ)言。  

有史第一次，高清DVD和藍(lán)光播放機(jī)允許在盤片出售給消費(fèi)者之后將來自互聯(lián)網(wǎng)上的外部碼流與盤上的本地語(yǔ)音進(jìn)行合成。例如，可以用盤上的聲道來為高清視頻進(jìn)行伴音，同時(shí)還能與來自攝影棚里的導(dǎo)演的最新解說詞進(jìn)行混音。  

下一代的機(jī)頂盒：對(duì)于一個(gè)完整的體驗(yàn)來說，高清電視取決于高質(zhì)量的語(yǔ)音。廣播和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都在尋求大幅改進(jìn)其業(yè)務(wù)的途徑。  

杜比數(shù)字加的高壓縮比支持低至224kbps的5.1環(huán)繞聲，從而使得廣播公司能夠提升他們的業(yè)務(wù)。對(duì)于那些使用160-256kbps的MPEG立體聲的廣播公司來說，他們可以采用實(shí)質(zhì)上相同的帶寬來升級(jí)到5.1通道環(huán)繞聲(見圖1)。  

圖1:升級(jí)到杜比數(shù)字加為廣播公司帶來的優(yōu)勢(shì)。  

杜比數(shù)字加能夠與全球范圍內(nèi)安裝的、3600多萬(wàn)臺(tái)用S/PDIF連接的低級(jí)杜比數(shù)字音/視頻接收機(jī)后向兼容(圖2a)。  

圖2a：從機(jī)頂盒或光盤播放機(jī)到一臺(tái)A/V接收機(jī)的S/PDIF連接要求杜比數(shù)字加碼流被轉(zhuǎn)換成一個(gè)640kbps 的杜比數(shù)字比特流。  

利用在新機(jī)頂盒中日益普及的高速HDMI接口，可以將杜比數(shù)字加碼流(無論經(jīng)過編碼與否)直接傳送到一臺(tái)新一代的接收機(jī)上，產(chǎn)生前所未有的更高質(zhì)量的語(yǔ)音效果(見圖2b)。

圖2b：機(jī)頂盒上的HDMI接口使得全杜比數(shù)字加碼流能夠直接傳輸。  

杜比數(shù)字加的實(shí)現(xiàn)方法  

杜比數(shù)字加參考軟件是利用浮點(diǎn)C代碼書寫的，并提供在設(shè)備或DSP中的使用授權(quán)，然后再將設(shè)備和DSP送到杜比實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行核準(zhǔn)測(cè)試。  

杜比實(shí)驗(yàn)室為使用者提供兩套測(cè)試：一種是以低水平訓(xùn)練算法各部分的測(cè)試向量，并將被測(cè)譯碼器的輸出與參考方案的輸出進(jìn)行比較；另一項(xiàng)是更嚴(yán)格的測(cè)試，即利用精密的音頻測(cè)試設(shè)備來檢驗(yàn)最終實(shí)現(xiàn)方案。在提交給杜比實(shí)驗(yàn)室之前，應(yīng)該內(nèi)部先通過這兩項(xiàng)測(cè)試。  

為了得到MIPS和杜比認(rèn)證授權(quán)，代碼的MIPS優(yōu)化版本將過程進(jìn)行了流水線化，并提供高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)方案。采用與批準(zhǔn)的代碼可以大大降低實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)并幫助確保能夠快速地通過杜比實(shí)驗(yàn)室的核準(zhǔn)(圖3)。  

圖3：采用MIPS優(yōu)化代碼可為杜比數(shù)字加系統(tǒng)芯片和設(shè)備的研發(fā)和核準(zhǔn)過程節(jié)約數(shù)月的時(shí)間。  

優(yōu)化MIPS32的實(shí)現(xiàn)  

在嵌入式系統(tǒng)中，效率最高的音頻算法采用定點(diǎn)算法而不是浮點(diǎn)算法。因此，杜比參考實(shí)現(xiàn)方案的第一步就是轉(zhuǎn)換浮點(diǎn)參考代碼。  

高質(zhì)量的轉(zhuǎn)換需要選擇一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)范圍和精度間的最佳平衡的定點(diǎn)表示方法。最重要的是，選擇最佳的表示方法就可以免去每次操作后的飽和度檢查，從而大大改善了運(yùn)行時(shí)間性能。  

MIPS技術(shù)利用一個(gè)廣域仿真和測(cè)試流程來實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換過程，確保了實(shí)現(xiàn)方案將能滿足杜比實(shí)驗(yàn)室頒布的嚴(yán)格的語(yǔ)音質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)抽象的C++定點(diǎn)類跟蹤整個(gè)算法過程中所需數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍和精度。在仿真過程的最后，定點(diǎn)表示和運(yùn)算將被選擇，并被硬連接回到一個(gè)純C的實(shí)現(xiàn)中。  

轉(zhuǎn)換源代碼到定點(diǎn)已經(jīng)成為一種優(yōu)化方式。MIPS軟件開發(fā)環(huán)境(SDE)編譯工具系列能夠生成高效率的代碼，該工具打算用于專用的MIPS核流水線。  

軟音頻接口集成  

在生成一個(gè)杜比數(shù)字加代碼的全優(yōu)化定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)后，MIPS將壓縮解碼器-轉(zhuǎn)換器與其軟音頻接口(SAI)集成在一起-，SAI是一個(gè)由所有MIPS優(yōu)化的音頻編解碼器支持的標(biāo)準(zhǔn)API。通過對(duì)采用MIPS軟語(yǔ)音算法的方法標(biāo)準(zhǔn)化，SAI還簡(jiǎn)化了用于不同的或變化的語(yǔ)音處理任務(wù)的應(yīng)用層代碼的復(fù)用，并使得利用共享的中間存儲(chǔ)緩沖器級(jí)聯(lián)多路語(yǔ)音編解碼更加容易(見圖4)。所有這些都將賦予系統(tǒng)設(shè)計(jì)師極大的靈活性。  

該方案也可以使系統(tǒng)具有可升級(jí)能力。一個(gè)小型低成本，入門級(jí)的4KE內(nèi)核可以用于低帶寬杜比數(shù)字加的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)最新的多線程的34K內(nèi)核可被用于高清實(shí)現(xiàn)和一個(gè)主控制器(圖5)。  

圖5：經(jīng)測(cè)試和優(yōu)化的杜比數(shù)字加代碼可以被用在所有系列的MIPS內(nèi)核上。  

最后，對(duì)于研發(fā)人員來說，設(shè)計(jì)一個(gè)多核系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。團(tuán)隊(duì)利用一個(gè)通用研發(fā)環(huán)境使合作和系統(tǒng)調(diào)試更加容易，而且還簡(jiǎn)化了負(fù)載均衡。