如何在SoC設(shè)計(jì)中加入低開(kāi)銷、低功耗的音頻處理功能

如果你打算設(shè)計(jì)一個(gè)包含數(shù)字音頻的SoC系統(tǒng)，或者正在進(jìn)行這樣一個(gè)項(xiàng)目，那么花幾分鐘時(shí)間閱讀本文可以幫助你在各種技術(shù)參數(shù)之間做出更好的平衡，避免設(shè)計(jì)方向出現(xiàn)偏差，提高流片的成功率，從而節(jié)省數(shù)周的開(kāi)發(fā)時(shí)間。我們將為你逐一分析設(shè)計(jì)備選方案，評(píng)估中的關(guān)鍵因素以及由此做出的決策。
　　消費(fèi)類音頻產(chǎn)品的歷史

　　消費(fèi)類音頻產(chǎn)品的歷史最早可以追溯到130年前，在開(kāi)始的100年間，音頻回放只能采用模擬技術(shù)。那時(shí)采用數(shù)字技術(shù)的產(chǎn)品體積龐大，價(jià)格昂貴，對(duì)于消費(fèi)類產(chǎn)品來(lái)說(shuō)也過(guò)于復(fù)雜。直到1982年，CD光盤(pán)和CD播放器的出現(xiàn)徹底改變了這種局面，黑膠唱片設(shè)備似乎一夜之間就消失了。

　　與此同時(shí)，個(gè)人電腦的迅速普及使消費(fèi)類音頻產(chǎn)品與數(shù)字技術(shù)緊密結(jié)合在一起?；诖疟P(pán)和閃存的MP3(如iPOD)等數(shù)字音樂(lè)播放器已經(jīng)取代了磁帶設(shè)備。今后音頻產(chǎn)品的發(fā)展方向是什么呢？那就是更加真實(shí)的還原聲音。聲音還原技術(shù)一直在不斷的發(fā)展完善，從早期的單聲道到立體聲，再到用多個(gè)揚(yáng)聲器營(yíng)造的3D環(huán)繞音效。短短幾年間，家庭影院系統(tǒng)已經(jīng)從5.1聲道進(jìn)化為10.1聲道。每次技術(shù)的飛躍都伴隨著更多聲道，更高的采樣位數(shù)，以及更強(qiáng)的處理能力。

　　日趨復(fù)雜的音頻編解碼格式對(duì)性能的需求不斷增長(zhǎng)，要求處理器的主頻也不斷提高。然而，提高主頻會(huì)給設(shè)計(jì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，更高的主頻意味著更高的功耗，更多的發(fā)熱量，需要容量更大的電池，為了散熱而增加的風(fēng)扇也會(huì)增加產(chǎn)品成本，并會(huì)帶來(lái)令人討厭的噪音。SoC設(shè)計(jì)過(guò)程中，更高的處理器主頻同時(shí)會(huì)使時(shí)序收斂變得更困難。所有這些問(wèn)題都應(yīng)該引起設(shè)計(jì)者的注意。

　　迄今為止，銷量最大的數(shù)字音頻播放器是移動(dòng)電話。除了撥打電話的功能，現(xiàn)在的移動(dòng)電話實(shí)際上都是小型的多媒體終端，既可以播放音視頻內(nèi)容，又能運(yùn)行包含了復(fù)雜音效的游戲，這些功能要求移動(dòng)電話具有強(qiáng)勁的音頻處理能力，同時(shí)功耗又要盡可能的低，因?yàn)橄M(fèi)者總是希望他們購(gòu)買的手機(jī)有足夠長(zhǎng)的待機(jī)時(shí)間，同時(shí)希望MP3播放器在提供優(yōu)秀音質(zhì)的同時(shí)也能長(zhǎng)時(shí)間播放。

　　伴隨著音頻的數(shù)字化，視頻也已經(jīng)完成了數(shù)字化。如今大多數(shù)的視頻播放設(shè)備都兼容多種音頻標(biāo)準(zhǔn)。在汽車音響領(lǐng)域，數(shù)字化也在如火如荼的進(jìn)行中。多年以前，CD被作為標(biāo)準(zhǔn)裝備裝入汽車，近年來(lái)，隨著高保真衛(wèi)星廣播的普及，數(shù)字收音機(jī)也進(jìn)入了汽車電子領(lǐng)域。在GPS導(dǎo)航設(shè)備中，需要文本到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換，某些GPS設(shè)備還兼具個(gè)人媒體播放器的功能。

　　音頻編解碼

　　編解碼格式是所有數(shù)字音頻應(yīng)用中的核心元素，它定義了模擬音頻信號(hào)如何數(shù)字化并被壓縮成比特流，以及比特流如何被解壓并還原為模擬音頻信號(hào)。

　　在消費(fèi)類產(chǎn)品領(lǐng)域最流行的壓縮算法是MP3格式，它于1991年同MPEG-1視頻標(biāo)準(zhǔn)一起推出，90年代中期，誕生了第一臺(tái)MP3播放器。隨后，廠商們不停在推廣其他可以提供更高保真度和更低比特率的算法格式，但MP3仍然在音頻標(biāo)準(zhǔn)中占有重要地位，當(dāng)前幾乎所有的消費(fèi)類產(chǎn)品都支持MP3格式。

　　大多數(shù)的音頻編解碼算法都采用有損壓縮來(lái)降低所需的比特率。有損壓縮可以減小數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)的帶寬需求，從而降低成本，這也是廠商們采用有損壓縮的原因。然而，有損壓縮也會(huì)降低音頻的質(zhì)量，質(zhì)量下降的程度與壓縮算法有關(guān)。只要有足夠強(qiáng)大的處理能力，就可以將聲音損失控制在人耳無(wú)法分辨的水平，因此壓縮算法研究人員依然在不斷改進(jìn)他們的算法。不同的應(yīng)用需要根據(jù)自身特點(diǎn)在音頻質(zhì)量和帶寬需求之間作出平衡，造成了多種數(shù)字音頻編解碼格式并存的局面。

　　當(dāng)你開(kāi)始考慮如何實(shí)現(xiàn)一種音頻編解碼算法時(shí)，你實(shí)際上有4種備選方案

　　1. 在通用處理器上依靠軟件實(shí)現(xiàn)音頻編解碼。例如在PC上運(yùn)行的MP3播放器程序。

　　2. 利用專用的硬件實(shí)現(xiàn)音頻編解碼，早期的便攜MP3播放器采用這種方案。

　　3. 在DSP處理器上依靠軟件實(shí)現(xiàn)音頻編解碼。

　　4. 在基于通用處理器進(jìn)行擴(kuò)展的音頻專用處理器上用軟件實(shí)現(xiàn)音頻編解碼。

　　方案1，用一個(gè)通用處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)功能，包括用戶界面，I/O和數(shù)字音頻編解碼。這個(gè)方案有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，音頻編解碼只是通用處理器上運(yùn)行的一段軟件程序，唯一的硬件開(kāi)銷也許只是增加少量的指令內(nèi)存。其次，由于采用了軟件實(shí)現(xiàn)編解碼，可以實(shí)現(xiàn)多種編解碼算法。最后，當(dāng)出現(xiàn)新的編解碼算法時(shí)，只需要升級(jí)軟件就可以支持。

　　這種方案也的缺點(diǎn)也很明顯。數(shù)字音頻對(duì)于暫時(shí)失靈很敏感，因?yàn)槿硕梢圆蹲降椒浅＜?xì)小的錯(cuò)誤。在這一點(diǎn)上音頻應(yīng)用比視頻應(yīng)用的要求更苛刻。在視頻應(yīng)用中，一個(gè)錯(cuò)誤的像素往往不會(huì)被注意到，而音頻應(yīng)用中則不然。采用通用處理器來(lái)進(jìn)行音頻編解碼，由于處理器還會(huì)執(zhí)行其他的任務(wù)，其帶寬并非音頻專用，這樣增加了音頻編解碼暫時(shí)失靈的概率。

　　除此以外，大多數(shù)的通用處理器沒(méi)有音頻專用指令，不能 高效的執(zhí)行音頻編解碼程序，從而不得不提高處理器的主頻，在單位時(shí)間里執(zhí)行更多的指令來(lái)達(dá)到性能要求。