Adaptive Filtering 功能詳解及代碼實(shí)現(xiàn)

 摘 要

Texas instruments 推出的超低功耗miniDSP 音頻Codec 集成了miniDSP 內(nèi)核，可在耗電極低的工作狀態(tài)下為電池供電的便攜式產(chǎn)品提供高性能的語(yǔ)音及音樂(lè)處理能力。AdaptiveFiltering 是miniDSP 的一項(xiàng)重要功能。本文詳細(xì)介紹了該功能的使用方法及注意事項(xiàng)，并給出了示例代碼以供參考。

1 miniDSP Codec 簡(jiǎn)介

德州儀器半導(dǎo)體公司(Texas Instruments)推出的內(nèi)嵌miniDSP 的音頻編解碼器(簡(jiǎn)稱miniDSP Codec)在普通音頻編解碼器的基礎(chǔ)上提供了強(qiáng)大、靈活的低功耗DSP 引擎來(lái)滿足消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用中對(duì)音質(zhì)、音效的需求。

miniDSP 的內(nèi)核是完全可編程的，支持許多錄音和回放的專用算法。例如：多段均衡(Multi-Band Equalization)、動(dòng)態(tài)噪聲消除(Dynamic Noise Filter)、回聲消除(Echo Cancellation)等。miniDSP Codec 具有非常優(yōu)秀的電源管理功能，在提供強(qiáng)大的音效處理能力的同時(shí)兼顧了低功耗特性，非常適合電池供電的便攜式產(chǎn)品應(yīng)用，例如智能手機(jī)，多媒體播放器，導(dǎo)航儀，電子相框等。

TLV320AIC3254(簡(jiǎn)稱AIC3254)是miniDSP Codec 的典型器件，本文將基于該器件展開(kāi)分析。其他miniDSP Codec 均具有類(lèi)似的架構(gòu)、功能及使用方法。請(qǐng)用戶參考相應(yīng)產(chǎn)品的器件手冊(cè)獲得詳細(xì)信息。

1.1 miniDSP Codec 架構(gòu)

以AIC3254 為例，該miniDSP Codec 集成了兩個(gè)miniDSP 內(nèi)核，如圖1 所示，miniDSP-A 位于ADC 信號(hào)路徑上，主要負(fù)責(zé)ADC 采樣后的數(shù)字音頻流處理。miniDSP-D 位于DAC 路徑上，主要負(fù)責(zé)I2S 總線輸入的數(shù)字音頻流處理。miniDSP-A 和miniDSP-D 之間有互聯(lián)的內(nèi)部數(shù)據(jù)總線可用于數(shù)據(jù)交換及共享代碼空間。

圖 1. miniDSP 音頻Codec 內(nèi)部簡(jiǎn)化框圖

除了Audio Codec 以外，某些ADC、DAC 也擁有miniDSP 內(nèi)核，本文介紹的部分內(nèi)容也適用于該類(lèi)器件。請(qǐng)參考相應(yīng)器件的手冊(cè)獲得詳細(xì)信息。

1.2 miniDSP 內(nèi)存架構(gòu)及寄存器地址

miniDSP-A 和D 分別有自己獨(dú)立的內(nèi)存空間。每個(gè)DSP 的內(nèi)存分為指令內(nèi)存(Instruction RAM)、數(shù)據(jù)內(nèi)存(Data RAM)和系數(shù)內(nèi)存(Coefficient RAM)三類(lèi)。

• 指令內(nèi)存用于存儲(chǔ)miniDSP 的運(yùn)行指令及程序。

• 數(shù)據(jù)內(nèi)存用來(lái)暫存miniDSP 運(yùn)行時(shí)的運(yùn)算結(jié)果等臨時(shí)數(shù)據(jù)。

• 系數(shù)內(nèi)存用來(lái)存儲(chǔ)miniDSP 音效、增益等控件的參數(shù)數(shù)據(jù)。

指令內(nèi)存和系數(shù)內(nèi)存均可通過(guò)映射的I2C 或SPI 地址來(lái)進(jìn)行讀寫(xiě)。Codec 上電時(shí)主控芯片需要通過(guò)I2C 或SPI 接口將miniDSP 程序下載到指令內(nèi)存和系數(shù)內(nèi)存以供運(yùn)行。以TLV320AIC3254 為例，指令內(nèi)存、系數(shù)內(nèi)存的寄存器映射地址及功能如表1 所示：

表 1. TLV320AIC3254 內(nèi)存架構(gòu)及寄存器地址

從寄存器映射地址可發(fā)現(xiàn)，miniDSP-A 和 miniDSP-D 的系數(shù)內(nèi)存控件均被等分成兩塊：Buffer-A和Buffer-B。當(dāng)Adaptive Filtering 功能關(guān)閉時(shí)，Buffer-A 和Buffer-B 是一個(gè)整體，連續(xù)的存儲(chǔ)空間。當(dāng)Adaptive Filtering 功能開(kāi)啟時(shí)，兩個(gè)Buffer 的內(nèi)容是完全同步并相互備份的。這種內(nèi)存架構(gòu)是Adaptive Filtering 功能的基礎(chǔ)。

注 意:

當(dāng)用戶不需要Adaptive Filtering 功能時(shí)，建議關(guān)閉該功能。系數(shù)內(nèi)存(Coefficent

RAM)將不會(huì)劃分Buffer-A 和Buffer-B。能提供多一倍的系數(shù)內(nèi)存給用戶使用。

2 Adaptive Filtering

2.1 功能概述

Adaptive Filtering 是一種在miniDSP 運(yùn)行時(shí)的濾波器、音效控件、混音比例等參數(shù)的實(shí)時(shí)切換功能。啟動(dòng)該功能后主控芯片可以通過(guò)控制端口對(duì)系數(shù)內(nèi)存內(nèi)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

當(dāng)miniDSP Codec 運(yùn)行在non-Adaptive Filtering 模式下，系數(shù)內(nèi)存中的濾波器、音效控件、混音比例等參數(shù)將被鎖定，無(wú)法實(shí)時(shí)更改。這種模式適用于不需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)參數(shù)的場(chǎng)合。miniDSP 的代碼將在啟動(dòng)時(shí)一次性被下載并執(zhí)行，運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)進(jìn)行任何miniDSP 系數(shù)內(nèi)存參數(shù)的修改。

當(dāng)Adaptive Filtering 功能啟動(dòng)后，系數(shù)內(nèi)存將啟用緩存(Buffer-A 和Buffer-B)設(shè)置。允許用戶在miniDSP 工作時(shí)實(shí)時(shí)修改系數(shù)內(nèi)存中的參數(shù)設(shè)置，從而滿足用戶實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)音效等參數(shù)的需求。例如，啟用了Adaptive Filtering 模式后，用戶可在聽(tīng)歌過(guò)程中將EQ 均衡器從流行(POP)轉(zhuǎn)換為古典(Classic)模式，該效果實(shí)時(shí)產(chǎn)生作用無(wú)需中斷播放。

2.2 Adaptive Filtering 控制寄存器

Adaptive Filtering 功能是通過(guò)特定寄存器來(lái)控制和實(shí)現(xiàn)的，以AIC3254 的miniDSP-A 為例，表2列出了miniDSP-A 的Adaptive Filtering 控制寄存器的含義。用戶可通過(guò)D2 位開(kāi)啟或關(guān)閉miniDSP-A 的Adaptive Filtering 功能。D1 位用來(lái)指示miniDSP 運(yùn)行時(shí)哪一個(gè)Buffer 被鎖定，用戶可讀取該位來(lái)確認(rèn)Buffer 使用的狀態(tài)。D0 位用來(lái)控制Buffer 的切換，向D0 位寫(xiě)入1 后miniDSP-A 會(huì)切換到新的Buffer 進(jìn)行工作，并向控制端口釋放原先使用的Buffer。切換完畢后D0的值會(huì)自動(dòng)清零，用戶可通過(guò)循環(huán)讀取D0 的值來(lái)判斷Buffer 的切換是否已經(jīng)完成。

表 2. AIC3254 miniDSP-A Adaptive Filtering 控制寄存器(P8_R1)

注 意:

每個(gè)支持Adaptive Filtering 功能的miniDSP 都有自己的Adaptive Filtering 控制寄存器，miniDSP-A 和miniDSP-D 的Adaptive Filtering 功能是獨(dú)立運(yùn)行的。

2.3 系數(shù)內(nèi)存(Coefficient Memory)存取規(guī)范[!--empirenews.page--]

在介紹Adaptive Filtering 的具體流程前，首先需要了解系數(shù)內(nèi)存存取的規(guī)范。

在non-Adaptive Filtering 模式下，系數(shù)內(nèi)存在miniDSP 停止運(yùn)行時(shí)可通過(guò)控制端口(I2C/SPI)直接存取。在miniDSP 工作時(shí)，系數(shù)內(nèi)存將被鎖定只有miniDSP 能夠存取。表3 給出了該模式下的存取規(guī)范供參考：

表 3. 在non-Adaptive Filtering 模式下系數(shù)內(nèi)存的存取規(guī)范

當(dāng)啟動(dòng)了Adaptive Filtering 模式，系數(shù)內(nèi)存將分為Buffer-A 和Buffer-B 兩塊，兩塊內(nèi)存內(nèi)容完全一致，相互備份。miniDSP 工作時(shí)將鎖定Buffer-A 或者Buffer-B 其中的一個(gè)，從中獲取參數(shù)信息。控制端口(I2C 或SPI)只可以讀寫(xiě)未鎖定的另一塊Buffer。表4 給出了該模式下的存取規(guī)范供參考：

表 4. Adaptive Filtering 模式下系數(shù)內(nèi)存的存取規(guī)范

為了簡(jiǎn)化Buffer 切換的操作，在miniDSP 運(yùn)行時(shí)，控制端口訪問(wèn)系數(shù)內(nèi)存的地址均映射到未鎖定的Buffer 內(nèi)。例如控制端口向鎖定Buffer-A 某地址寫(xiě)入的參數(shù)將直接更新未鎖定Buffer-B 內(nèi)的鏡像參數(shù)。這個(gè)設(shè)置允許用戶在切換Buffer 后無(wú)需修改寫(xiě)入地址即可向釋放出來(lái)的Buffer 內(nèi)存更新參數(shù)。注意在miniDSP 停止運(yùn)行的時(shí)候，Buffer-A 和Buffer-B 的頁(yè)面地址均恢復(fù)正常模式，用戶需使用它們各自的地址進(jìn)行參數(shù)更新。

2.4 Adaptive Filtering 控制流程

本節(jié)詳細(xì)介紹了如何使用Adaptive Filtering 功能來(lái)進(jìn)行系數(shù)內(nèi)存內(nèi)參數(shù)的更新操作。附錄A 給出了推薦的Adaptive Filtering 更新參數(shù)操作時(shí)序圖供參考。

2.4.1 miniDSP 停止時(shí)的參數(shù)更新流程

如2.3 節(jié)所示，在miniDSP 停止運(yùn)行時(shí)，控制端口可以存取所有的系數(shù)內(nèi)存地址(Buffer-A 和 Buffer-B)。則該模式下參數(shù)更新的流程為：

1. 通過(guò)控制接口直接向Buffer-A 寫(xiě)入新參數(shù)。

2. 切換到Buffer-B 所在頁(yè)面，向Buffer-B 寫(xiě)入同樣參數(shù)。使Buffer-A 和Buffer-B 保持同步。

以AIC3254 為例，若需要更新的參數(shù)在miniDSP-A 的Buffer-A 內(nèi)，其地址為p8_r44，新參數(shù)值為0xAB。則更新流程為：

1. 向p8_r44 寫(xiě)入新參數(shù)0xAB。

2. 向p26_r44 寫(xiě)入新參數(shù)0xAB。(p26_r44 是p8_r44 的鏡像寄存器)

2.4.2 miniDSP 運(yùn)行時(shí)的參數(shù)更新流程

miniDSP 運(yùn)行時(shí)，系數(shù)內(nèi)存的其中一個(gè)Buffer 被miniDSP 鎖定，控制端口無(wú)法直接修改該Buffer內(nèi)的參數(shù)。用戶需要先更新未鎖定Buffer 內(nèi)的參數(shù)，然后通知miniDSP 切換Buffer 來(lái)使用新的參數(shù)。切換后原先被鎖定的Buffer 將被釋放，用戶需要對(duì)它更新相同的參數(shù)以確保兩塊Buffer 的參數(shù)同步。

在miniDSP 運(yùn)行時(shí)，系數(shù)內(nèi)存參數(shù)更新的流程如下：

1. 通過(guò)控制端口向目標(biāo)寄存器更新參數(shù)。

2. 向Adaptive Filtering 寄存器寫(xiě)入Buffer 切換命令。

3. 回讀Adaptive Filtering 寄存器狀態(tài)位，判斷Buffer 切換是否完成。

4. 確認(rèn)切換完成后，再次向目標(biāo)寄存器更新參數(shù)確保Buffer-A 和Buffer-B 參數(shù)同步。

以AIC3254 為例，若需要更新的參數(shù)在miniDSP-A 的Buffer-A 內(nèi)，其地址為p8_r44，新參數(shù)值為0xAB。則更新流程為：

1. 向p8_r44 寫(xiě)入新參數(shù)0xAB。

2. 將p8_r1_d0，Adaptive Filtering 寄存器的D0 位置1，執(zhí)行Buffer 切換操作。

3. 回讀p8_r1_d0，Adaptive Filtering 寄存器狀態(tài)位，判斷Buffer 切換是否完成。

4. 確認(rèn)切換完成后，再次向目標(biāo)寄存器p8_r44 更新參數(shù)0xAB，確保Buffer-A 和Buffer-B參數(shù)同步。

3 總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了miniDSP Codec 的Adaptive Filtering 功能的使用方法，并以AIC3254 為例給出了詳細(xì)的操作步驟和示例代碼。在實(shí)際使用中，用戶需要注意準(zhǔn)確的獲取并判斷miniDSP 工作狀態(tài)，選擇正確的操作流程來(lái)完成參數(shù)的切換和更新。

4 參考文獻(xiàn)

1. TLV320AIC3254, Ultra Low Power Stereo Audio Codec With Embedded miniDSP-Data sheet (SLAS549)

2. Design and Configuration Guide for the TLV320AIC3204 & TLV320AIC3254 Audio Codec (SLAA404C)

3. Coefficient RAM Access Mechanisms (SLAA425A)