從智能電視、平板電腦、藍(lán)光光盤播放器到數(shù)碼攝像機(jī)，如今幾乎每一種消費(fèi)電子設(shè)備中都已經(jīng)嵌入了各種音頻處理功能。這些設(shè)備必須能夠支持許多不同的多通道、高清晰的音頻格式，以用于接收廣播、文件播放、網(wǎng)絡(luò)流媒體以及錄音功能。為這些應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)級芯片（SoC）的工程師，需要依此來搭建其系統(tǒng)架構(gòu)，以便使音頻處理以最高效的方式實(shí)現(xiàn)。

卸載到高效的音頻處理器

目前，將音頻處理從系統(tǒng)中的主處理器上卸載到更高效的音頻處理器已經(jīng)是很常見的做法。像音頻編碼、解碼與后處理這樣的任務(wù)，可以用專門為此而設(shè)計(jì)的處理器更高效地來處理。當(dāng)音頻功能從主處理器上被卸載下來后，我們通常可以看到功耗降低了80%。例如將MPEG-2 Audio Layer III或MP3解碼功能，從一個(gè)電源優(yōu)化的、帶有NEON 擴(kuò)展（3.13mW/10MHz）的ARM Cortex-A9雙核處理器卸載到一個(gè)DesignWare ARC AS211SFX處理器（0.27mW/7MHz）上時(shí)，結(jié)果是功率消耗降低了約3mW。更精確地說，在一個(gè)使用了TSMC 40G工藝的ARM Cortex-A9和NEON上進(jìn)行MP3解碼，每個(gè)核將消耗0.3125mW/MHz，然而ARC AS211SFX卻僅消耗0.0735mW/MHz。

然而，在諸如數(shù)字電視、機(jī)頂盒和藍(lán)光光盤播放器等絕大多數(shù)消費(fèi)電子設(shè)備中，多種音頻解碼與編碼任務(wù)必須同時(shí)進(jìn)行。其它的任務(wù)還包括在平板電腦及其它便攜設(shè)備上用于虛擬環(huán)繞聲效的音頻強(qiáng)化（后處理）軟件。這意味著，對于需要多通道的多音頻流及高清音頻的應(yīng)用場景，MP3解碼的總處理器負(fù)載不再僅僅是10MHz，而是可能要高達(dá)250MHz甚至更多，因而全部的總功耗降低可高達(dá)250×（0.3125-0.0735）mW/MHz=60mW！

圖1：通過將音頻任務(wù)卸載到一個(gè)高效率的音頻處理器來優(yōu)化設(shè)計(jì)。

內(nèi)存延遲對音頻處理器的性能影響

通常，音頻處理器擁有為音頻處理而定制的硬件架構(gòu)，它不但降低了功耗，而且還減少了整體的芯片成本。Synopsys的32位DesignWare ARC音頻處理器甚至為更好的SoC性能做了進(jìn)一步優(yōu)化。在當(dāng)今的SoC中，DDR系統(tǒng)存儲(chǔ)器是一種共享的資源，例如用于音頻、視頻、圖形及程序代碼。因此，為了確保留有足夠的帶寬可用，增加了存儲(chǔ)器延遲。雖然這些延遲過去通常是順序延遲50-100個(gè)周期，而在許多新設(shè)計(jì)中我們現(xiàn)在可看到延遲將高達(dá)200-300個(gè)周期。于是，任何處理器都將需要更多的“周期”（MHz）來執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)；但是ARC音頻處理器憑借其XY存儲(chǔ)器架構(gòu)，與業(yè)界其它處理器相比，存儲(chǔ)器延遲對其性能有較小的影響。該ARC XY存儲(chǔ)器架構(gòu)使實(shí)現(xiàn)了大型音頻數(shù)據(jù)單元的并行獲取和處理。由于ARC音頻處理器知道數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中所處的精確位置，因此它與基于緩存的設(shè)計(jì)相比，可以更高效地處理數(shù)據(jù)，例如，當(dāng)數(shù)據(jù)單元“X0Y0”還在被處理時(shí)，“X1Y1”數(shù)據(jù)單元已經(jīng)在從存儲(chǔ)器中被轉(zhuǎn)移的過程中了。這種XY架構(gòu)的優(yōu)勢早在存儲(chǔ)器延遲超出50個(gè)周期時(shí)就已經(jīng)得以見到。

一個(gè)典型的實(shí)例就是經(jīng)常被引用的藍(lán)光光盤DTS音頻使用案例。表1顯示了100個(gè)周期的存儲(chǔ)延遲對各家領(lǐng)先供應(yīng)商的處理器性能的影響。顯然，存儲(chǔ)器延遲對ARC處理器的影響相比于其它處理器的影響較小。盡管這個(gè)例子顯示了100個(gè)周期存儲(chǔ)延遲對性能的影響，但ARC音頻處理器在更大的系統(tǒng)延遲（200-300個(gè)周期）情況下，將同樣展示比其它處理器更多的優(yōu)勢：抑或是能夠應(yīng)用更低的時(shí)鐘頻率（可帶來更低的功耗和更小的片芯占用面積），或者是可留出更多的處理周期（為其它任務(wù)留出更多“動(dòng)態(tài)余量”）。

表1：Synopsys ARC音頻處理器的存儲(chǔ)器延遲容忍。

MPEG-4 AAC-LC和MPEG-4 HE-AAC音頻標(biāo)準(zhǔn)

許多消費(fèi)電子設(shè)備中所用的一種音頻壓縮方案是先進(jìn)的音頻編碼（Advanced Audio Coding，簡稱為AAC），它是一種有“損失”的壓縮與編碼方案。低復(fù)雜度的AAC或稱為AAC-LC被用于低碼率的應(yīng)用，如互聯(lián)網(wǎng)流媒體；它在1997年被放入MPEG-2標(biāo)準(zhǔn)成為其音頻子集（MPEG-2 AAC-LC）。在1999年被定義的MPEG-4 AAC-LC還包括了知覺噪聲代替（Perceptual Noise Substitution，PNS）。由Coding Technologies公司創(chuàng)造的譜帶復(fù)制（Spectral Band Replication，SBR）在2003年被加入MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)中。現(xiàn)在被稱為HE-AAC v1，也稱aacPlus v1、eAAC+、AAC++或者加強(qiáng)型AAC+。在2004年，一種參數(shù)立體聲（PS）編碼工具被加入該標(biāo)準(zhǔn)中，從那時(shí)起開始稱之為MPEG-4 HE-AAC v2（或aacPlus v2）。

我們通常看到AAC-LC和aacPlus v2（HE-AAC v2）被用于諸如數(shù)字無線電、廣播、互聯(lián)網(wǎng)流媒體、高品質(zhì)音頻錄音等應(yīng)用中，被用在諸如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、數(shù)碼攝像機(jī)、平板電腦及媒體播放器等消費(fèi)電子設(shè)備中。因此，音頻處理器需要為這些標(biāo)準(zhǔn)提供頂級解決方案。

Synopsys提供最優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方案

Synopsys的DesignWare ARC MPEG-4 AAC-LC和aacPlus v2編碼器擁有多通道編碼功能，可為環(huán)繞聲應(yīng)用提供多達(dá)7.1（8個(gè)）音頻通道。

ARC音頻軟件編解碼器中所提供的、效率提升的可選編碼方法包括混合立體聲編碼（Joint Stereo Encoding）、隨機(jī)噪聲代替（TNS）、PNS、增強(qiáng)立體聲（IS）、SBR和PS，可支持音頻數(shù)據(jù)交換格式（ADIF）、音頻數(shù)據(jù)傳輸流（ADTS），同時(shí)還提供低開銷音頻流（LOAS）容器組件。

Synopsys的音頻軟件工程團(tuán)隊(duì)為按照所需周期（MHz）數(shù)量來計(jì)的最低處理器負(fù)載設(shè)計(jì)了音頻算法的實(shí)現(xiàn)。Synopsys還針對盡可能小的存儲(chǔ)器占用片芯面積進(jìn)行了優(yōu)化（表2）。ROM用來存儲(chǔ)程序代碼，RAM用來存儲(chǔ)程序執(zhí)行過程中的音頻數(shù)據(jù)。更小的ROM和RAM面積為SoC集成工程師帶來了更低的芯片面積成本。

表2：Synopsys提供了最優(yōu)的AAC-LC編碼解決方案

SoundWave音頻子系統(tǒng)內(nèi)置軟件棧

Synopsys的DesignWare SoundWave音頻子系統(tǒng)為SoC設(shè)計(jì)師提供了一套完整的、經(jīng)預(yù)先驗(yàn)證的音頻子系統(tǒng)，包括可集成到SoC設(shè)計(jì)中的硬件、軟件和原型。已經(jīng)SoC就緒的音頻解決方案減少了SoC設(shè)計(jì)與集成工作量，縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

除了單核或雙核音頻處理器，可配置的SoundWave硬件還包括數(shù)字的I2S和S/PDIF、以及可選的模擬音頻接口。然而，由于大多數(shù)的SoC設(shè)計(jì)工作量都耗費(fèi)在了軟件集成上，SoundWave音頻子系統(tǒng)還包含了一個(gè)媒體流框架（MSF）。MSF可以使開發(fā)者容易地在其應(yīng)用集成和結(jié)合所有的音頻軟件功能，包括數(shù)據(jù)交換、解碼/編碼以及后處理單元。

系統(tǒng)集成商使用SoundWave GStreamer插件可以容易地將一切可提供的音頻功能嵌入到他們的應(yīng)用軟件中。此軟件插件是一個(gè)應(yīng)用程序界面（API），包含了在音頻子系統(tǒng)中所有可提供的功能。該插件處理了在子系統(tǒng)和主處理器之間的所有通訊，提供了一種將所有音頻功能集成到主處理器上運(yùn)行的應(yīng)用軟件的即插即用地集成。

圖2：媒體流框架能夠被快速地集成到應(yīng)用軟件中

小結(jié)

軟件在支撐SoC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為消費(fèi)性音頻產(chǎn)品提供高品質(zhì)音頻解決方案時(shí)，扮演著越來越重要的角色。無論是從軟件的角度還是從硬件的角度來看，音頻處理IP供應(yīng)商需要提供優(yōu)化的解決方案。

Synopsys已經(jīng)投入巨資來為消費(fèi)電子SoC市場創(chuàng)造一種差異化的音頻處理器IP解決方案。一個(gè)可提供AAC-LC和aacPlus v2編解碼器的、豐富的優(yōu)化音頻軟件產(chǎn)品組合，使設(shè)計(jì)師可實(shí)現(xiàn)降低音頻應(yīng)用的功耗及縮小芯片面積。通過將軟件IP打包作為完整的硬件與軟件解決方案的一部分，我們使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠以更低的風(fēng)險(xiǎn)和更高的生產(chǎn)效率，將各種先進(jìn)的音頻功能集成到他們的SoC當(dāng)中，應(yīng)用在諸如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、平板電腦和數(shù)碼攝像機(jī)等產(chǎn)品中。

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