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SoC设计中杜比数字加的实现优化

SoC设计中杜比数字加的实现优化 2011年12月04日 来源： 杜比数字加——最新一代的杜比数字技术，正在进入下一代家庭娱乐应用，将给人们带来超级的音质，更高效率的音频压缩，以及更完善的用户体验。杜比数字加，或者叫做增强型AC-3(E-AC-3)，已经发展到能够满足目前尚处于萌芽阶段的两个市场(即高清DVD和蓝光播放机)的各种需求。对于新兴的高清DVD和蓝光播放机来说，杜比数字加的数据压缩能力使得人们能够在电影制作室里实现高清视频与超级语音体验的完美结合。该技术同样还可以提升最新的数字电视机顶盒的性能，使得广播公司能够以较低的比特率来开展业务，降低成本并增加灵活度，从而受益于消费者。 在一个芯片或一个系统能够使用杜比数字加标识之前，严格的认证测试是必不可少的。MIPS科技公司与杜比实验室一道，研发出了最优的、在其32位综合处理器内核的任意一个上面运行的测试版杜比数字加，这将大大缩短音频系统的研发时间。 家庭娱乐市场上的新兴标准 高清DVD和蓝光盘：杜比数字加在高清DVD规范中是强制性的，而在兰光盘中是可选的。该规范还支持多路分离的语音流，使得一部电影可以同时跑在多个独立的音道上或者支持多种语言。 有史第一次，高清DVD和蓝光播放机允许在盘片出售给消费者之后将来自互联网上的外部码流与盘上的本地语音进行合成。例如，可以用盘上的声道来为高清视频进行伴音，同时还能与来自摄影棚里的导演的最新解说词进行混音。 下一代的机顶盒：对于一个完整的体验来说，高清电视取决于高质量的语音。广播和网络运营商都在寻求大幅改进其业务的途径。 杜比数字加的高压缩比支持低至224kbps的5.1环绕声，从而使得广播公司能够提升他们的业务。对于那些使用160-256kbps的MPEG立体声的广播公司来说，他们可以采用实质上相同的带宽来升级到5.1通道环绕声(见图1)。

图1:升级到杜比数字加为广播公司带来的优势

杜比数字加能够与全球范围内安装的、3600多万台用S/PDIF连接的低级杜比数字音/视频接收机后向兼容(图2a)。

图2a：从机顶盒或光盘播放机到一台A/V接收机的S/PDIF连接要求杜比数字加码流被转换成一个640kbps 的杜比数字比特流

利用在新机顶盒中日益普及的高速HDMI接口，可以将杜比数字加码流(无论经过编码与否)直接传送到一台新一代的接收机上，产生前所未有的更高质量的语音效果(见图2b)。

图2b：机顶盒上的HDMI接口使得全杜比数字加码流能够直接传输

杜比数字加的实现方法 杜比数字加参考软件是利用浮点C代码书写的，并提供在设备或DSP中的使用授权，然后再将设备和DSP送到杜比实验室进行核准测试。 杜比实验室为使用者提供两套测试：一种是以低水平训练算法各部分的测试向量，并将被测译码器的输出与参考方案的输出进行比较；另一项是更严格的测试，即利用精密的音频测试设备来检验最终实现方案。在提交给杜比实验室之前，应该内部先通过这两项测试。 为了得到MIPS和杜比认证授权，代码的MIPS优化版本将过程进行了流水线化，并提供高质量的实现方案。采用与批准的代码可以大大降低实现风险并帮助确保能够快速地通过杜比实验室的核准(图3)。

图3：采用MIPS优化代码可为杜比数字加系统芯片和设备的研发和核准过程节约数月的时间

优化MIPS32的实现 在嵌入式系统中，效率最高的音频算法采用定点算法而不是浮点算法。因此，杜比参考实现方案的第一步就是转换浮点参考代码。 高质量的转换需要选择一个能够实现动态范围和精度间的最佳平衡的定点表示方法。最重要的是，选择最佳的表示方法就可以免去每次操作后的饱和度检查，从而大大改善了运行时间性能。 MIPS技术利用一个广域仿真和测试流程来实现这一转换过程，确保了实现方案将能满足杜比实验室颁布的严格的语音质量标准。一个抽象的C++定点类跟踪整个算法过程中所需数据的动态范围和精度。在仿真过程的最后，定点表示和运算将被选择，并被硬连接回到一个纯C的实现中。 转换源代码到定点已经成为一种优化方式。MIPS软件开发环境(SDE)编译工具系列能够生成高效率的代码，该工具打算用于专用的MIPS核流水线。 软音频接口集成 在生成一个杜比数字加代码的全优化定点实现后，MIPS将压缩解码器-转换器与其软音频接口(SAI)集成在一起-，SAI是一个由所有MIPS优化的音频编解码器支持的标准API。通过对采用MIPS软语音算法的方法标准化，SAI还简化了用于不同的或变化的语音处理任务的应用层代码的复用，并使得利用共享的中间存储缓冲器级联多路语音编解码更加容易(见图4)。所有这些都将赋予系统设计师极大的灵活性。

图4：将浮点杜比代码转换成高度优化的定点MIP32代码的流程

该方案也可以使系统具有可升级能力。一个小型低成本，入门级的4KE内核可以用于低带宽杜比数字加的实现，同时最新的多线程的34K内核可被用于高清实现和一个主控制器(图5)。

图5：经测试和优化的杜比数字加代码可以被用在所有系列的MIPS内核上

最后，对于研发人员来说，设计一个多核系统具有明显的优势。团队利用一个通用研发环境使合作和系统调试更加容易，而且还简化了负载均衡。 作者：Chris Cavigioli, Brett Miller, MIPS科技 Roger Dressler, Rob Hislop, 杜比实验室 (end)

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