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深度探讨高清音频IC设计难题

2016-09-27来源: 21ic关键字:高清音频IC  设计难题
视频流和图像绘制技术的进步,极大地提高了高清 (HD) 运动图像的质量。加上家庭娱乐中心逐渐流行,这些因素已成为追求“家庭影院”体验以及便携式电子设备发展的重要推动力。除了高清视频之外,高清音频(HD Audio)也随之引入,为日益扩大的多媒体娱乐世界增加更丰富的音频体验。本文将对高清音频市场的三大领域予以介绍,即

● 数字电视–DTV

● 机顶盒–STB

● 蓝光DVD

根据最新报道,预计到2011年,DTV、机顶盒和蓝光DVD的销售量将分别达到1.87亿、1.6亿及1.16亿台。除此之外,A/V接收器、高清便携式摄像机、IPTV及手机等其他市场领域也将大幅增长。

不过,在处理要求、音频声道、比特率和精度要求方面,标清和高清音频规范之间存在着很大的差异。高清音频系统的众多新要求,不单影响着集成电路(IC)设计的各个方面,而且也给这些新设备实现高质音频带来了重大挑战。

本文将介绍各种不同的高清媒体分发技术,探讨IC 设计人员面临的设计挑战,并提出高效实现高清音频的解决方案和设置方法。

深度探讨高清音频IC设计难题

图1 7.1音箱系统的放置

高清音频的应用机会

下面介绍高清音频的三大主要应用机会。

1 数字电视(DTV)

数字电视(DTV)使用分立(数字)信号来实现运动图像和声音的发送与接收。从模拟电视到数字电视的转换始于1990年代末期,而因为它提供了全方位的新商机,所以很快成为了电视广播和消费电子行业备受瞩目的技术。在早期采用DTV的国家中,荷兰和芬兰分别在2006年和2007年就完成了模数转换;而美国从2009年6月12日起,国内所有的电视台都将只使用数字模式来播送节目。另一方面,英国已开始向DTV的转换,并预定在2012年全面实现DTV广播。中国方面则计划到2015年完成到DTV广播的转换。

从模拟向数字广播或播放的转换有一个重大挑战,就是高清音频应用所需的数据处理和数据流量。任何基于IC的高清音频解决方案要获得成功,都需要在开发和实现阶段把这一点考虑在内。DTV的另一个挑战是必须降低消费者的成本,因为向DTV 的转换是强制性的,消费者必须按照法规决议更换新电视,因此他们会对价格非常敏感。

2 机顶盒(STB)

机顶盒(STB)是一种连接电视机和外部信号源,并把信号转换为能够在电视机屏幕上显示的内容的设备。数字机顶盒可以帮助没有内置数字调谐器的电视机接收数字电视广播节目。在直接广播卫星系统中,机顶盒是一个集成式接收器/解码器。

在美国等市场,由于模拟广播将于2009年终止,因此音频质量成为机顶盒制造商关注的焦点,以确保音频信号具有和视频输出相匹配的质量。

3 蓝光光盘

蓝光光盘(也称作“蓝光”或“BD”)是一种光盘存储媒体。蓝光这个名称源于这种磁盘格式采用蓝色激光(实际上是紫蓝色的)来进行读写,主要用于高清视频和数据存储。由于蓝光光盘的光束波长(405nm)远远短于标准DVD编码所用的波长(650nm),故它的数据存储量相比也大得多。一个标准的双层蓝光光盘可以存储多达50GB的数据,差不多比双层DVD多6倍,比单层DVD更是高出10倍。

在2008年2月的一项重要公布中,东芝表明退出HD-DVD播放器和录像机业务,至此,以东芝为代表的HD-DVD阵营和以索尼为代表的蓝光光盘阵营之间的光盘格式大战终于尘埃落地。这使蓝光一举成为领先的多媒体高清记录媒体。目前有大约1000部各种语言的电影以蓝光光盘发行,而在HD-DVD和蓝光阵营之间的格式大战结束之后,市场预计这个数字将会大幅增长。

强制性的蓝光格式音频编解码器

蓝光格式规范定义了两套可在蓝光播放器中实现的编解码器。其中第一套是强制性的,必须用作蓝光光盘的主要音频声道。这些编解码器包括:

● DTS–一种用于商业/影院应用和视频游戏等消费应用的多声道数字环绕声格式。

● 杜比数字或AC-3–一种可容纳多达6个分立式音频声道的编解码器,最大编码比特率为640kb/s,而35mm电影胶片使用320kb/s的固定速率,DVD视频光盘则限于448kb/s。

● 线性PCM–一种采样频率为48kHz或96kHz、每样本16,20或24位,可容纳多达8个音频声道的无压缩音频格式。最大比特率为6.144MB/s。

蓝光格式的可选音频编解码器

蓝光格式的可选音频编解码器包括有损和无损编解码器。有损编解码器包括:

● 杜比数字 Plus–一种基于AC-3的增强型有损编解码器,可支持高达6.144Mb/s的比特率和7.1音频声道。它还能提供更先进的编码技术,降低压缩失真(compression artifact),并后向兼容现有的AC-3硬件。

● DTS高清高分辨率音频–一种可扩展原始DTS格式的有损编解码器,支持96kHz和24位深度分辨率的7.1声道。DTS-HD高分辨率音频可提供高达6.0Mb/s的恒定比特率。

无损编解码器则有:

● 杜比数字TrueHD–一种主要用于高清家庭娱乐设备(如蓝光光盘)的高清多声道音频编解码器。最大编码比特率为18Mb/s(未压缩速率)。这已显示了高清音频的高数据流量要求。

● DTS-HD主音频–以前被称为DTS++或DTS-HD,是原始DTS编解码器的扩展版本。这是一种无损音频,具有高达24.5Mb/s的可变比特率,并支持192kHz采样频率和24位信号分辨率的7.1分立式声道。

蓝光高清音频用例

一个高清音频的计算密集型蓝光使用案例包含主音频(main audio)和子音频(sub audio)流,以及一个音效流(effects stream)。主音频流可结合DTS-HD 主音频(见前述蓝光光盘一节)或杜比TrueHD 7.1声道,用于播放光盘。子音频流可采用DTS-HD Express或杜比数字Plus,以获得额外的数据,例如,从互联网下载电影中的导演加注。音效流则是一个简单的PCM音频流,为屏幕菜单增添音效的选择。

编码流可使用DTS 5.1编码器或杜比数字5.1编码器,而编码必须把数据以压缩的格式传送给一个兼容的音频/视频接收器(比如经由S/PDIF电缆)。混合信号在发送给扬声器之前可能需要后处理功能,以补偿声音失配播放环境或各种不同的音频不完整性。

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图2 5.1编码系统

高清音频IC的设计挑战

在设计高清音频IC时,有若干因素需要考虑。高清音频最重要的特性是数据流量,因为相比传统的音频应用,高清音频数据流量大大提高。仅对 I/O而言,这种数据流量在某些编解码器就可能达到24.5Mb/s的输入速率和在27.6Mb/s的输出速率下达致每秒96kHz×8×24位的输出。这就需要一种新的IC设计方案来确保这些挑战得到解决,同时保证音频的质量。

另外,一些采样频率达192kHz、带6个或8个声道,并且运算精度很高的无损音频编解码器,如DTS-HD主音频或杜比TrueHD,它们的计算要求极高。如果不予以改进,单单一个编解码器就可能消耗掉传统DSP的全部MHz预算。

性能要求

如上所述,高清音频实现方案(如蓝光光盘应用)的数据处理要求非常高。在如此高的数据率下,很多现有的单核DSP解决方案都无法保证高质量的数据处理,故业界不少解决方案开始倾向于采用能够满足视频结合音频的处理开销要求的双内核方案。

而且,在DSP解决方案的实现中,除了强制性及可选音频编解码器之外,还需要许多后处理功能,而这些后处理功能正是众多实现方案的差异化因素。由于在处理最小的高清音频编解码器时,许多单核DSP都会有过载的情况,所以几乎没有什么剩余能力可言,即便有,也差不多都是用于强制性后处理。

芯片尺寸/功耗考虑

由于制造商和设计人员不得不应对挑战,把所有必要的处理功能全部塞入尺寸越来越小的芯片中,这使现有的芯片尺寸也面临着巨大的压力。采用多核解决方案虽然可以提供这些处理能力,但芯片尺寸、相应的价格增加和驱动子系统所需的电能之间的权衡都可能往往令人望而却步。特别在满足具有特殊功率和外形尺寸限制的高清设备(如便携游戏机)要求时,这一点尤其关键。

即使对于非移动设备,功耗也是一个重要的考虑因素,因为它影响到设备的散热性能。较高的功耗可能需要某些冷却手段,从而对产品的总体设计造成影响。

任务切换的存储器交换

高清音频系统中必须执行大量并行任务,故需要非常频繁的存储器交换。这些交换必然会致使存储器带宽过载,让系统无法处理增加的总线流量,最终快速降低音质。另外因为指令集常常采用32位格式编写,这又使得指令更大,指令间间隔更长,进一步加剧数据过载问题,而16位指令集可以减轻这种负载。在数据方面,某些高清音频编解码器需要100Kb以上的数据RAM外加相当大的数据表,也就是强制要求利用存储器交换以高效利用RAM存储器。

慢速外部存储器存取OUND-COLOR: rgb(255,255,255); orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">  许多在DSP上运行的音频算法传统上均以非序列(non-sequential)的方式对大容量缓存进行存取。一般而言,这些缓存都太大,无法驻留在处理器的片上存储器中,故它们必须置于速度较慢的外部存储器中,如DDR SDRAM。另外,非序列存取也给维持高性能的目标带来一个挑战。由于音频解码器常常与视频解码器争夺数据总线吞吐量,故存储器存取效率非常重要。要提供高质量的音频体验,就必须解决这个难题以实现稳定的性能。

解决难题

要解决影响高清音频DSP领域的众多问题,需要一个基于功能强大的数字信号处理器的系统,其中应包括合适的软件和外设。CEVA-HD-Audio就是这种高清音频系统的实例,它是一个全面完善的单核DSP解决方案,能够满足最严苛的高清音频使用案例的要求。

CEVA-HD-Audio是基于CEVA-TeakLite-III DSP内核的系统。CEVA-TeakLite-III拥有本地32位处理能力和双乘法累加(Multiply-Accumulate, MAC)架构,是需要先进音频标准的高清音频应用的理想DSP方案。另外,CEVA-TeakLite-III还具有良好平衡的10级管线,使其内核在65nm工艺下的运作频率仍超过550MHz(在最差条件和工艺)。CEVA-HD-Audio集成了一个带有32位寄存器文件、64位数据存储带宽、32×32位乘法器和自动32位饱和的本地32位SIMD DSP处理器。CEVA-TeakLite-III还具有一个带有完善MAC指令集的双16×16 MAC,可实现语音/VoIP和全面的流处理位操作(bit-manipulation)功能,这对流处理十分有用。除了带有多精度点的固有32位数据处理功能之外,单周期32位MAC单元还包括用于无损编解码器的72位MAC累加,和独特的单精度与双精度FFT蝶形指令(butterfly instruction),以及一个2/4周期内核。

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图3 CEVA TeakLite-III结构框图

CEVA-TeakLite-III架构嵌入了CEVA-Quark指令集,是全面的独立式嵌入紧凑型指令集架构(ISA)。这种独特的ISA旨在仅利用16位指令,减小芯片的尺寸和成本,同时降低功耗,减少存储器存取次数。CEVA-Quark ISA是一套完整的指令,包括存储器存取、算术与乘法运算、逻辑、移位和流处理位操作指令以及控制操作。应用程序开发人员还可以把CEVA-Quark指令与其他更先进的CEVA-TeakLite-III指令相混合,无须切换到不同的运作模式。这种组合特性可使代码量减少4倍,周期数减少了近9倍。

利用单核实现高性能高清音频

上面提到的处理效率,显示CEVA-TeakLite-III能够利用单核DSP,轻松提供完整的高清音频支持。由于它拥有更小的存储器,所以尺寸更小,性能更高,比市场上其他竞争解决方案更为优胜。单核实现方案也意味着不论从硬件还是软件的角度来看,应用开发和集成都更为容易。

本地音频处理

CEVA-HD-Audio具有32位本地处理能力,故能为高清音频算法提供很高的精度。此外,64位的数据存储器带宽可确保DSP不断有数据样本与系数馈入,从而实现连续处理。为应对这些挑战,CEVA-HD-Audio解决方案还备有一套完整的音频编解码器。音频编解码器算法设计使用一个普通的DMA引擎,使数据传送和算法执行能够并行进行,有助音频算法和编解码流程。另外,CEVA-HD-Audio还包含了一个带有指令缓存的存储子系统、用于数据的紧密耦合存储器和AHB/APB系统接口(包括主和从接口)。这些特性能帮助CEVA-HD-Audio用户满足复杂音频使用案例、外部存储器存取的高延时和有限的系统速度等严苛要求。它们也易于集成到基于CPU的SoC中,可以实现完整音频系统的快速产量提升。

高清音频的软件开发

一套包括C编译器、汇编器、链接器、代码库、调试器和仿真器的完整的软件开发工具也是非常重要的,因为它们能够帮助用户迅速方便地进行系统的开发和集成。一个基于GUI的开发环境也让编程人员能够轻松遵循不同的处理流程,提高编程、编译和调试流程的效率。

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