基于DSP的下一代車載娛樂(lè)系統(tǒng)

車載娛樂(lè)系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在變得日益復(fù)雜，通過(guò)銅纜發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單音頻系統(tǒng)已經(jīng)成為過(guò)去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理變得越來(lái)越流行。特別是與數(shù)字傳輸內(nèi)容保護(hù)(DTCP)加密和解密方法相關(guān)的面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)光網(wǎng)絡(luò)正在被許多高擋和中檔汽車采用，這種趨勢(shì)以及車載音頻系統(tǒng)通常必須以變化的采樣頻率適應(yīng)多種輸入源(調(diào)幅和調(diào)頻、CD、DVD、蜂窩電話和導(dǎo)航系統(tǒng)輸入)這個(gè)事實(shí)給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)供應(yīng)商增加了壓力，要求他們提供增強(qiáng)性能和更高集成度的處理器。

基于MOST的車載高端娛樂(lè)系統(tǒng)

MOST總線專門用于滿足要求嚴(yán)格的車載環(huán)境。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡(luò)能夠支持24.8Mbps的數(shù)據(jù)速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優(yōu)勢(shì)。

MOST總線基于環(huán)形拓?fù)洌瑥亩试S共享多個(gè)發(fā)送和接收器的數(shù)據(jù)。MOST總線主控器(通常位于汽車音響主機(jī)處)有助于數(shù)據(jù)采集，所以該網(wǎng)絡(luò)可支持多個(gè)主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多高達(dá)64個(gè)主設(shè)備。為了確保數(shù)據(jù)安全，總線主控器在上電時(shí)將查詢總線上的每一臺(tái)從設(shè)備并且完成自動(dòng)密鑰交換(AKE)。如果從設(shè)備有一個(gè)有效的總線密鑰，那么允許它使用預(yù)定的協(xié)議發(fā)送和接收MOST總線上的數(shù)據(jù)。

MOST傳輸協(xié)議由分割成幀的數(shù)據(jù)塊組成，每一幀包含流數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。流數(shù)據(jù)與MOST時(shí)鐘同步并且不斷地在網(wǎng)絡(luò)中循環(huán)傳輸。分組數(shù)據(jù)與MOST時(shí)鐘異步，根據(jù)需要產(chǎn)生，其中一個(gè)例子就是來(lái)自無(wú)線個(gè)人數(shù)字助理(PDA)設(shè)備的電子郵件。幀中分配給流數(shù)據(jù)和分組數(shù)據(jù)之間的帶寬是可變的，以滿足系統(tǒng)在特定的時(shí)間需求，并且其控制字包含數(shù)據(jù)類型、在幀中什么地方可以找到數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)大小等流信息。控制信息可以在多個(gè)幀中分配，并且應(yīng)該在接收設(shè)備中重建。

音頻處理

圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MOST總線的車載音頻娛樂(lè)系統(tǒng)。來(lái)自DVD播放器音頻源內(nèi)容，例如PCM、AC3和DTS通過(guò)SPDIF鏈路傳送到主機(jī)。SPDIF鏈路將以音頻源的采樣頻率(FS_in1)工作，例如對(duì)于CD音頻為44.1kHz，對(duì)于AC3和DTS等DVD視頻內(nèi)容為48KHz。當(dāng)要將編碼的音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上時(shí)，在傳輸之前必須對(duì)傳輸內(nèi)容進(jìn)行加密以阻止盜版拷貝。通常對(duì)于車載系統(tǒng)可選的加密機(jī)制是DTCP，該機(jī)制將在下面介紹。

ADI公司的BlackFin處理器架構(gòu)非常適合于這種功能，因?yàn)樗哂胸S富的外設(shè)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)DSP的工作。同時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)公告(Navigation System Announcement)也必須通過(guò)MOST總線傳輸?shù)椒糯笃?，以允許駕駛員在駕駛時(shí)能夠聽(tīng)到指令。這些基于PCM的信號(hào)通?；?2.24kHz立體聲，我們稱之為FS_in2。MOST收發(fā)器可收發(fā)多種音頻源信號(hào)，并且重新將數(shù)據(jù)安排成數(shù)據(jù)塊以便在總線上傳輸(如圖2所示)。

圖1：基于MOST總線的典型車載高端娛樂(lè)系統(tǒng)

圖2：基于MOST總線的車載音頻娛樂(lè)系統(tǒng)原理圖

一些音頻數(shù)據(jù)包中可能采用DTCP加密(如FS_in1)，它們通過(guò)總線傳輸?shù)椒糯笃鞑糠?，而這部分通常位于汽車尾部(見(jiàn)圖3)。

圖3：放大器系統(tǒng)處理流程

當(dāng)音頻源數(shù)據(jù)通過(guò)MOST總線發(fā)送后，DSP必須重構(gòu)原始分組數(shù)據(jù)，并且如果數(shù)據(jù)是DTCP加密的，則需要將數(shù)據(jù)流解密為最初的形式。通過(guò)MOST總線傳輸?shù)母弊饔镁褪莵G失了源音頻的原始采樣速率，即使采用時(shí)鐘重構(gòu)技術(shù)，原始的源采樣率也無(wú)法精確地重構(gòu)，這將導(dǎo)致DSP緩存器中可聽(tīng)到的“pop”聲以及聲音丟失。

為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，使用DTCP的加密技術(shù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的必備條件，從而可為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供安全。DTCP有四層拷貝保護(hù)機(jī)制：拷貝控制信息(CCI)、設(shè)備鑒別和AKE、內(nèi)容加密和系統(tǒng)更新。

拷貝控制信息(CCI)是以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容為基礎(chǔ)，并且它由內(nèi)容擁有者決定，例如“免費(fèi)拷貝”、“禁止拷貝”、“不再拷貝”和“拷貝一次”。在交換任何內(nèi)容之前，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須確定是否它們是原始內(nèi)容。有完全鑒權(quán)和受限訪問(wèn)鑒權(quán)兩個(gè)級(jí)別。在密鑰交換之后，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)容。采用預(yù)定義基本密碼引擎加密和解密內(nèi)容，并且放入MOST傳輸協(xié)議的保護(hù)內(nèi)容包中，該保護(hù)包具有包頭簽名以識(shí)別已經(jīng)加密的內(nèi)容。

下一代系統(tǒng)問(wèn)題的解決方案

基于網(wǎng)絡(luò)的車載娛樂(lè)系統(tǒng)的系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題日益增加，為了解決這些問(wèn)題，ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了SHARC ADSP-21365處理器。

圖4：ADI公司用于車載娛樂(lè)的ADSP-21365 SHARC處理器

ADSP-21365是一款32/40b的浮點(diǎn)單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)信號(hào)處理器，它具有內(nèi)置4Mb的ROM，完全支持所有多聲道解碼器標(biāo)準(zhǔn)，例如Dolby Digital解碼器、DTS解碼器以及包括DPL2x、Neo6等后處理模塊?？蛻魧Ｓ煤筇幚砟K可以在3Mb的內(nèi)部RAM上執(zhí)行，客戶利用Visual Audio(見(jiàn)后文)這樣的音頻專用開(kāi)發(fā)工具能夠在較短的時(shí)間內(nèi)增加他們后處理的類別。

圖5：定點(diǎn)和浮點(diǎn)處理器的SNR值

為了解決多個(gè)音頻源采用不同基本采樣率的問(wèn)題，ADI公司已經(jīng)將AD1896獨(dú)立的采樣率轉(zhuǎn)換器集成在到ADSP-21365中。它具有8個(gè)通道的采樣轉(zhuǎn)換和高達(dá)140dB的性能，多個(gè)音頻源不需要存儲(chǔ)器和MIPS開(kāi)銷，并且所有的輸出后處理都能運(yùn)行在單采樣速率條件下，以進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)流的復(fù)雜度。

其它音頻專用外設(shè)包括6個(gè)串行端口，并且支持TDM和I2S，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接與數(shù)字音頻源連接。

ADSP-21365 SHARC DSP也包括一個(gè)基于DTCP M6密碼引擎(與DTLA兼容)的硬件。外設(shè)具有兩個(gè)專用的DMA總線，在不需要內(nèi)核干涉的條件下，允許高速傳輸?shù)組6或者從M6傳輸，并且具有對(duì)加密和解密的本地支持。ADSP-21365實(shí)現(xiàn)了完成DTCP兼容系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)途徑。密碼引擎支持密鑰動(dòng)態(tài)更新的功能，用戶可以使用內(nèi)置定時(shí)器設(shè)置密鑰更新和改變的間隔周期，以增加在網(wǎng)絡(luò)上的安全性。

音頻處理包括FIR和IIR濾波器的密集使用。在遞歸運(yùn)算中，由于信號(hào)的數(shù)字表示產(chǎn)生的量化誤差可能會(huì)引起音頻質(zhì)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(diǎn)表示音頻信號(hào)以減少這種誤差。

圖6：浮點(diǎn)和定點(diǎn)處理器的動(dòng)態(tài)范圍比較

在高檔音頻系統(tǒng)中，通常聲音的質(zhì)量是通過(guò)如何準(zhǔn)確地再現(xiàn)小幅度或非常安靜的聲音來(lái)衡量的。隨著音頻信號(hào)幅度變得越來(lái)越小，定點(diǎn)處理器精確再現(xiàn)這種信號(hào)的能力是有限的，但是對(duì)于浮點(diǎn)處理器而言，保持音頻等級(jí)的精度包含在固定的界限內(nèi)，并且具有186dB的最小SNR。SHARC處理器具有40b浮點(diǎn)精度和80b的累加器，從而可以實(shí)現(xiàn)非常高性能的音頻。

家庭影院音頻處理器的另一個(gè)重要特性就是動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍定義為在音頻處理器能夠沒(méi)有下溢或溢出條件下再現(xiàn)音頻信號(hào)幅度的最小值和最大值的比值。同樣的，浮點(diǎn)處理器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了定點(diǎn)處理器所能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)范圍。

隨著預(yù)解碼器算法和后解碼器算法的復(fù)雜度日益增加，實(shí)現(xiàn)家庭影院體驗(yàn)需要的MIPS數(shù)或執(zhí)行周期數(shù)也始終在增加。為了解決這些問(wèn)題，最顯然的方法就是增加信號(hào)處理器的時(shí)鐘頻率。

由于硅工藝的限制，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)有很多障礙，因此信號(hào)處理器供應(yīng)商通過(guò)改進(jìn)處理器架構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。一些信號(hào)處理器供應(yīng)商已經(jīng)采用MIMD架構(gòu)，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令同時(shí)完成多個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)。該架構(gòu)需要更多的存儲(chǔ)器，因此直接影響到芯片的成本。SHARC處理器架構(gòu)采用SIMD的創(chuàng)新方法，可采用相同的指令隱含地完成第二個(gè)平行的算術(shù)單元，因此使得代碼更緊湊從而可以降低完成這些算法所需的MIPS數(shù)。鑒于這種SIMD架構(gòu)，音頻信號(hào)處理器無(wú)需額外的處理開(kāi)銷可并行地處理立體聲信號(hào)。SHARC內(nèi)核基于完全互鎖的5階代碼流水線，這意味著程序員無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)什么時(shí)候可用即可隨時(shí)寫(xiě)入代碼。算法流水線優(yōu)化為1個(gè)時(shí)鐘周期，這意味著計(jì)算結(jié)果在下一個(gè)周期立即提供以便進(jìn)一步計(jì)算。

由于ADSP-21365 SHARC處理器提供車載音頻專用外設(shè)和基于32b浮點(diǎn)內(nèi)核的SIMD，所以它能使音頻系統(tǒng)達(dá)到新的性能水平。

使用Visual Audio定制音頻后處理設(shè)計(jì)

過(guò)去，DSP用戶面臨的挑戰(zhàn)就是最佳利用處理器時(shí)鐘周期和有效利用存儲(chǔ)器的軟件開(kāi)發(fā)。采用匯編語(yǔ)言手動(dòng)編碼音頻信號(hào)處理算法這種長(zhǎng)期使用的方法已經(jīng)越來(lái)越不可行，特別是這種方法需要將大部分的精力放在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的“項(xiàng)目清單”或“me-too”功能，而不是集中精力通過(guò)增加產(chǎn)品差異化價(jià)值。因此，需要一種開(kāi)發(fā)音頻軟件的改進(jìn)方法。

為了滿足這種需求，ADI公司開(kāi)發(fā)出一種Visual Audio圖形環(huán)境以幫助設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)使用SHARC處理器系列的音頻系統(tǒng)。Visual Audio為音頻系統(tǒng)開(kāi)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截面，以便設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試和測(cè)試音頻系統(tǒng)，如圖6所示。

圖7：Visual Audio圖形接口顯示屏示例

Visual Audio包含一個(gè)基于PC的圖形用戶界面(GUI，圖形工具)、一個(gè)DSP內(nèi)核以及一個(gè)可擴(kuò)展的音頻算法庫(kù)。與ADI公司的VisualDSP++集成開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境(IDDE)配合使用，Visual Audio可提供對(duì)MIPS和存儲(chǔ)器利用都經(jīng)過(guò)優(yōu)化的現(xiàn)有產(chǎn)品代碼。通過(guò)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理軟件的過(guò)程，Visual Audio降低了開(kāi)發(fā)成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間。因此，音頻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師能夠集中精力增加他們的音頻產(chǎn)品價(jià)值以使其與其它產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)差異化。

Visual Audio工具允許設(shè)計(jì)工程師使用直觀的圖形工具集中精力開(kāi)發(fā)定制后處理模塊，該圖形工具和強(qiáng)大的SHARC架構(gòu)以及內(nèi)置ROM解碼器功能結(jié)合在一起，從而允許快速、簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品配置。