基于當今數字信號處理器的新一代車載娛樂系統(tǒng)

1. 引言

車載娛樂系統(tǒng)中的技術發(fā)展趨勢正在變得日益復雜。通過銅纜發(fā)送音頻數據的簡單音頻系統(tǒng)已經成為過去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復雜的網絡處理變得越來越流行。特別是與數字傳輸內容保護(DTCP)加密和解密方法相關的媒體定向系統(tǒng)傳輸（MOST）光網絡正在被許多高擋和中擋汽車采用。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（調幅和調頻、CD、DVD驅動、蜂窩電話、導航系統(tǒng)輸入）這個事實給DSP供應商增加了壓力，要求他們提供改進性能和提高集成度的處理器。

2. 通用基于MOST總線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)境的要求。這種新的基于光纖的網絡能夠支持24.8 Mbps的數據，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾（EMI）的附加優(yōu)勢。

DSP Amplifier＝DSP放大器
Driver Information Display＝驅動器信息顯示器
Head Unit＝磁頭驅動機構
MOST? BUS ＝MOST?總線
Rear Video Display＝背投顯示器
Rear View Acquisition＝背投瀏覽采集
Camer＝照相機
Navigation System＝導航系統(tǒng)

圖1：基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統(tǒng)

MOST總線基于環(huán)形拓撲，從而允許共享多個發(fā)送和接收器的數據。MOST總線主控器（通常位于磁頭驅動機構）有助于數據采集，所以該網絡可支持多個主機，在一個網絡上最多高達64臺主機。為了確保數據安全，總線主控器在上電時將查詢總線上的每一臺從屬設備并且完成自動密鑰交換（AKE）。如果從屬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總線上的數據。

MOST傳輸協(xié)議由分成幀的數據塊組成。每一幀包含流數據、分組數據和控制數據。流數據與MOST時鐘同步并且不斷地在網絡中環(huán)繞。分組數據與MOST時鐘異步，根據需要產生，其中一個例子就是來自無線個人數字助理（PDA）設備的e-mail。幀中分配給流數據和分組數據之間的帶寬是可變的以滿足規(guī)定時間對系統(tǒng)的需求，并且其控制字包含數據類型、在哪里找到幀中的數據以及數據大小等流信息?？擅扛舳鄮峙淇刂菩畔?，并且應該在接收設備中重新產生。

3. 在基于MOST總線車載娛樂系統(tǒng)中的音頻處理

DVD Player＝DVD播放器
HeadUnit＝磁頭驅動機構
Amplifier＝放大器
Navigation System Announcement＝導航系統(tǒng)通知

圖2：基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)原理圖

圖2示出一個簡單的基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)。來自DVD播放器音頻源內容，例如PCM，AC3 DTS通過SPDIF鏈路傳送到磁頭驅動機構。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44.1 KHz，對于AC3和DTS等DVD視頻內容為48 KHz。當要將編碼的音頻數據傳輸到網絡上時，在傳輸之前必須對傳輸內容進行加密以阻止盜版復制。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處理器體系結構非常適合于這種功能，因為它具有豐富的外圍設備和優(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)數字信號處理器(DSP)的工作。同時，導航系統(tǒng)通知也必須通過MOST總線傳輸到放大器以允許驅動器在驅動時能夠接收到指令。這些基于PCM的信號通常根據12.24 KHz立體聲，我們稱之為FS_in2。

MOST收發(fā)器可收發(fā)多種音頻源并且重新將數據安排成數據塊以便在總線上傳輸（如圖2所示）。

一些音頻數據包中可能采用DTCP加密（如FS_in1），它們通過總線傳輸到放大器部分，通常停留在汽車尾部（見圖3）。當音頻源數據通過MOST總線發(fā)送后，DSP必須重構原始分組數據，并且在DTCP加密數據的情況下，將數據流解密為原始形式。通過MOST總線傳輸的副作用就是丟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緩存器中可聽到的砰砰聲以及聲音丟失。

Multi channe codec＝多通道編解碼器
DTCP Decryption＝DTCP解密
DTCP Encryption＝DTCP加密
SPORT Interface＝SPORT I接口
Bitstream Detector＝比特流監(jiān)測器
Audio Decoder＝音頻解碼器
Audio Post- Processing＝音頻后處理
Pac MOS dat=打包MOST 數據
Unpac MOS dat=解包MOST 數據
SRC=采樣速率轉換器

圖3： 放大器系統(tǒng)處理流程

為了進一步增加系統(tǒng)的復雜性，使用DTCP的加密技術已經成為網絡應用中的必備條件，從而可為通過網絡的數字數據提供安全。DTCP有四層復制保護：

CCI：復制控制信息
AKE : 設備鑒別和密鑰交換

內容加密

系統(tǒng)更新

復制控制信息（CCI）是以通過網絡傳輸的內容為基礎，并且它由內容擁有者決定，例如免費復制、禁止復制、不再復制和復制一次。在交換任何內容之前，網絡上的設備必須確定是否它們是原始內容。有兩級鑒別，完全鑒別和受限訪問鑒別。在密鑰交換之后，可通過網絡傳輸內容。采用預定義基本密碼引擎加密和解密內容，并且放入MOST傳輸協(xié)議的保護內容包中。該保護包里具有頭部簽名以識別已經加密的內容。

4. 新一代系統(tǒng)問題的解決方案

為了解決基于網絡的車載娛樂系統(tǒng)日益增加的系統(tǒng)基本問題，ADI公司已經開發(fā)出了Sharc ADSP-21365處理器。

Misc. Control Pins＝Misc.控制引腳
4 Timers＝4個定時器
333 MHz SIMD SHARC CORE＝333 MHz
SIMD
SHARC內核
Block ＝數據塊
I/O Processor with 25 DMA Channels＝帶25個DMA
通道的
I/O處理器
Interrupts＝中斷
Sport ＝端口
8 Channels Sample Rate＝8個通道的采樣率
Input Data Port (8)/＝輸入數據端口(8)/
Signal Routing Unit＝信號路由單元

圖4：ADI公司用于車載娛樂的ADSP-21365 SHARC處理器

ADSP-21365是一款32/40 bit的SIMD（單指令多數據）信號處理器。它具有內置4 Mbit的ROM，完全支持所有多通道解碼器標準，例如Dolby Digital解碼器、DTS解碼器以及包括DPL2x、Neo6等預處理模塊?？蛻魧Ｓ妙A處理模塊可以在3 Mbit的內部RAM內完成，客戶利用Visual Audio（見第5部分）音頻專用開發(fā)工具能夠增加他們的預處理產品種類同時縮短設計時間。

為了解決以不同基本采樣率運行多個音頻源問題，ADI公司已經將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140 dB的性能，多個音頻源可以與零存儲器和每秒百萬條指令（MIPS）開銷合并，并且所有的輸出后處理都能以單采樣速率運行以進一步減少數據流的復雜程度。

其它音頻專用外圍設備包括6個串行端口并且具有TDM和I2S的本地支持，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接與數字音頻源連接。

ADSP-21365 Sharc DSP也包括一個基于DTCP M6密碼引擎（與DTLA兼容）的硬件。外圍設備具有兩個專用的DMA總線以允許高速速據傳輸到M6或者從M6傳輸以避免來自內核的干擾，并且具有對加密和解密的本地支持。ADSP-21365可支持完全DTCP兼容系統(tǒng)的簡單設計鏈路。密碼引擎包括支持密鑰動態(tài)更新的功能。使用內置定時器，用戶可以設置密鑰更新并且切換到增加整個網絡安全性的時間周期。 音頻處理包括FIR和IIR濾波器的密集使用。在遞歸運算中，由于信號的數字表示產生的量化誤差可能會引起音頻質量的下降。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。

在高擋音頻系統(tǒng)中，通常聲音的質量通過如何準確地再生出小幅度或非常安靜的聲音來度量。隨著音頻信號幅度變得越來越小，定點處理器精確再生這種信號的能力受到限制，但是對于浮點處理器而言，維持音頻等級的精度包含在固定的界限內，并且具有186 dB的最小SNR。SHARC處理器具有40 bit浮點精度的本地支持和80 bit的累加器，從而可提供市場上所有信號處理器中最佳的音頻性能。

Amplitude＝幅度
40 bit floating point＝40 bit浮點
32 bit fixed point＝32 bit定點
24 bit fixed point＝24 bit定點
16 bit fixed point＝16 bit定點

圖5：定點和浮點處理器的SNR值

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能夠再生出音頻信號幅度的最小值和最大值的配給量。此外，浮點處理器遠遠超越了定點處理器的限制。

Dynamic Range（dB）＝動態(tài)范圍（dB）
Floating Point＝浮點
Fixed Point＝定點
Fixed ＝定點

Dynamic Range for floating point is determined by the size of the exponent
＝浮點的動態(tài)范圍由指數的大小決定
6 dB×255 exponent levels＝1530 dB
＝6 dB×255指數級＝1530 dB
Dynamic Range for fixed point is determined by the data word size
＝定點的動態(tài)范圍由數據字的大小決定

圖6：浮點和定點處理器的動態(tài)范圍比較

隨著預解碼器算法和后解碼器算法的復雜度日益增加，完成家庭影院體驗所需的許多組合要求的MIPS數目或執(zhí)行周期也始終在增加。

為了解決這些問題，最明顯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，這種方法實現起來有很多障礙，它已經使信號處理器供應商通過改進體系結構來解決這個問題。一些信號處理器供應商已經采用MIMD體系結構方案，即在一個時鐘周期內執(zhí)行多條指令同時完成多個數據移動。該體系結構需要更多的存儲器，因此直接影響到芯片的成本。SHARC處理器體系結構采用SIMD體系結構的創(chuàng)新方法，即可采用相同的指令隱含地完成第二個平行的算術單元，因此使得代碼尺寸如此密集從而可以降低完成這些算法所需的MIPS要求。鑒于這種SIMD體系結構，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據什么時候有效即可隨時寫入代碼。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圍設備和基于32 bit浮點內核的SIMD，所以它能使音頻系統(tǒng)達到了新的水平。

5. 使用Visual Audio開發(fā)工具定制音頻后處理設計

DSP用戶面臨的歷史性挑戰(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費力的方法已經越來越不可行。特別是要求大部分的精力放在創(chuàng)建標準的檢查清單或我也是功能而不是集中精力通過增加產品價值不同于其它產品。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VisualAudio?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)。VisualAudio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接口，如圖6所示，以便設計、開發(fā)、調試和測試音頻系統(tǒng)。

圖7：VisualAudio圖形接口顯示屏示例

VisualAudio包含一個基于PC的圖形用戶接口（GUI，圖形工具）、一個DSP內核（基本結構）以及一個可擴展的音頻算法庫（音頻模塊）。與ADI公司的VisualDSP++?集成開發(fā)和調試環(huán)境（IDDE）配合使用，VisualAudio可提供對每秒百萬條指令（MIPS）和存儲器利用都經過優(yōu)化的現有產品代碼。通過簡化開發(fā)復雜數字信號處理軟件的過程，VisualAudio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品價值以不同于其它產品。

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體系結構以及內置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)和產品配置。

您可以從主要參考網址中所列的ADI公司網站主頁上下載Visual Audio工具30天試用版軟件。

結論

新一代音頻系統(tǒng)的要求不斷地需要提高速度和提高集成度的音頻處理器。為了維持市場競爭地位，音頻處理器供應商必須提供高性能器件以使他們的客戶保持領先的音頻特性曲線，同時提供一套簡單易用的開發(fā)工具以節(jié)省客戶產品投放市場的時間。ADI公司通過推出第三代32和40 bit的浮點SHARC音頻處理器已經完全解決了這個難題，它們可提供業(yè)界領先的高性能以及集成的存儲器和外圍設備。此外，Visual Audio開發(fā)工具通過為許多公用音頻處理模塊提供現有產品代碼以簡化音頻算法開發(fā)。