如何在SoC設計中加入低開銷、低功耗的音頻處理功能

如果你打算設計一個包含數(shù)字音頻的SoC系統(tǒng)，或者正在進行這樣一個項目，那么花幾分鐘時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，避免設計方向出現(xiàn)偏差，提高流片的成功率，從而節(jié)省數(shù)周的開發(fā)時間。我們將為你逐一分析設計備選方案，評估中的關(guān)鍵因素以及由此做出的決策。

消費類音頻產(chǎn)品的歷史

消費類音頻產(chǎn)品的歷史最早可以追溯到130年前，在開始的100年間，音頻回放只能采用模擬技術(shù)。那時采用數(shù)字技術(shù)的產(chǎn)品體積龐大，價格昂貴，對于消費類產(chǎn)品來說也過于復雜。直到1982年，CD光盤和CD播放器的出現(xiàn)徹底改變了這種局面，黑膠唱片設備似乎一夜之間就消失了。

與此同時，個人電腦的迅速普及使消費類音頻產(chǎn)品與數(shù)字技術(shù)緊密結(jié)合在一起?；诖疟P和閃存的MP3(如iPOD)等數(shù)字音樂播放器已經(jīng)取代了磁帶設備。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，再到用多個揚聲器營造的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)，以及更強的處理能力。

日趨復雜的音頻編解碼格式對性能的需求不斷增長，要求處理器的主頻也不斷提高。然而，提高主頻會給設計帶來一系列的問題，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扇也會增加產(chǎn)品成本，并會帶來令人討厭的噪音。SoC設計過程中，更高的處理器主頻同時會使時序收斂變得更困難。所有這些問題都應該引起設計者的注意。

迄今為止，銷量最大的數(shù)字音頻播放器是移動電話。除了撥打電話的功能，現(xiàn)在的移動電話實際上都是小型的多媒體終端，既可以播放音視頻內(nèi)容，又能運行包含了復雜音效的游戲，這些功能要求移動電話具有強勁的音頻處理能力，同時功耗又要盡可能的低，因為消費者總是希望他們購買的手機有足夠長的待機時間，同時希望MP3播放器在提供優(yōu)秀音質(zhì)的同時也能長時間播放。

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)的視頻播放設備都兼容多種音頻標準。在汽車音響領(lǐng)域，數(shù)字化也在如火如荼的進行中。多年以前，CD被作為標準裝備裝入汽車，近年來，隨著高保真衛(wèi)星廣播的普及，數(shù)字收音機也進入了汽車電子領(lǐng)域。在GPS導航設備中，需要文本到語音的轉(zhuǎn)換，某些GPS設備還兼具個人媒體播放器的功能。

音頻編解碼

編解碼格式是所有數(shù)字音頻應用中的核心元素，它定義了模擬音頻信號如何數(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。

在消費類產(chǎn)品領(lǐng)域最流行的壓縮算法是MP3格式，它于1991年同MPEG-1視頻標準一起推出，90年代中期，誕生了第一臺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仍然在音頻標準中占有重要地位，當前幾乎所有的消費類產(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)。只要有足夠強大的處理能力，就可以將聲音損失控制在人耳無法分辨的水平，因此壓縮算法研究人員依然在不斷改進他們的算法。不同的應用需要根據(jù)自身特點在音頻質(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。

當你開始考慮如何實現(xiàn)一種音頻編解碼算法時，你實際上有4種備選方案

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

2. 利用專用的硬件實現(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現(xiàn)音頻編解碼。

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

方案1，用一個通用處理器來實現(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。這個方案有以下幾個優(yōu)點。首先，音頻編解碼只是通用處理器上運行的一段軟件程序，唯一的硬件開銷也許只是增加少量的指令內(nèi)存。其次，由于采用了軟件實現(xiàn)編解碼，可以實現(xiàn)多種編解碼算法。最后，當出現(xiàn)新的編解碼算法時，只需要升級軟件就可以支持。

這種方案也的缺點也很明顯。數(shù)字音頻對于暫時失靈很敏感，因為人耳可以捕捉到非常細小的錯誤。在這一點上音頻應用比視頻應用的要求更苛刻。在視頻應用中，一個錯誤的像素往往不會被注意到，而音頻應用中則不然。采用通用處理器來進行音頻編解碼，由于處理器還會執(zhí)行其他的任務，其帶寬并非音頻專用，這樣增加了音頻編解碼暫時失靈的概率。

除此以外，大多數(shù)的通用處理器沒有音頻專用指令，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，在單位時間里執(zhí)行更多的指令來達到性能要求。

硬件實現(xiàn)編解碼

方案2，采用一顆性能相對較低的處理器搭配專門的音頻處理硬件，所有的音頻處理任務都由專用硬件來完成。通常，這塊硬件作為外設掛在系統(tǒng)總線上。音頻采樣由處理器通過總線送給編解碼硬件，或者由編解碼硬件通過DMA直接從內(nèi)存中讀取。在這種方案中系統(tǒng)總線也是共享的。

使用專用編解碼硬件的優(yōu)點在于針對某種特定的編解碼格式，它的面積和功耗與其他方案比較是最優(yōu)的。因此90年代中期的MP3播放器都采用這種方案。它的缺點是每種編解碼格式都要增加硬件模塊來支持。如圖1的設計中，為了支持3種編解碼格式，就必須在設計中增加3塊硬件邏輯。因此，在需要多格式音頻的設計中，這種方案就不再具有優(yōu)勢，而幾乎當前所有的SoC設計都需要支持多格式音頻編解碼。其次，如果編解碼算法進行了升級或者出現(xiàn)了bug，為了修復問題，整個SOC芯片就必須重新流片，而不可能通過軟件升級來修正錯誤。此外，實現(xiàn)新的編解碼算法時，必須要設計新的硬件模塊，將它集成到系統(tǒng)設計中，并重新流片。

圖1：在使用專用編解碼硬件的方案中，每種編解碼格式都需增加硬件模塊來支持