相比目前的家居音頻設(shè)備，下一代家居音頻產(chǎn)品在多方面對芯片廠商提出了更高的要求。例如需要支持多個數(shù)據(jù)流、更高的比特率和更多的通道；同時要求具備達(dá)32位的高質(zhì)量無損音頻解碼器以及先進(jìn)的后處理功能。

　　除了滿足上所述條件外，還需要通過減少系統(tǒng)門數(shù)量和使用小型存儲器、以及采用低成本的外部存儲器（如DDR2-800或更便宜的存儲器）等方法來實(shí)現(xiàn)芯片尺寸的縮減，從而實(shí)現(xiàn)高成本效益。此外，由于散熱及良率引起功耗敏感問題也必須引起重視。

　　高清晰音頻IC設(shè)計(jì)的另一個瓶頸來自于訪問外部存儲器的響應(yīng)速度慢。由于系統(tǒng)DDR存儲器通常要與主處理器、視頻處理器等其它資源共享，而其中音頻處理器往往在DDR訪問中的優(yōu)先級別較低，造成外部存儲器訪問需要長達(dá)150-200個處理器周期，再加之音頻任務(wù)轉(zhuǎn)換（多個解碼器、編碼器、后處理功能、混合等）需要存儲器數(shù)據(jù)交換，這就要求芯片在設(shè)計(jì)方面要找到一個折衷且高效的方法。

　　根據(jù)報道，預(yù)計(jì)到2011年，DTV、機(jī)頂盒和藍(lán)光DVD的銷售量將分別達(dá)到1.87億、1.6億及1.16億臺。除此之外，A/V接收器、高清便攜式攝像機(jī)、IPTV及手機(jī)等其他市場領(lǐng)域也將大幅增長。

　　不過，在處理要求、音頻聲道、比特率和要求方面，標(biāo)清和高清音頻規(guī)范之間存在著很大的差異。高清音頻系統(tǒng)的眾多新要求，不單影響著集成電路（IC）設(shè)計(jì)的各個方面，而且也給這些新設(shè)備實(shí)現(xiàn)高質(zhì)音頻帶來了重大挑戰(zhàn)。

　　本文將介紹各種不同的高清媒體分發(fā)技術(shù)，探討IC 設(shè)計(jì)人員面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，并提出高效實(shí)現(xiàn)高清音頻的解決方案和設(shè)置方法。

　　圖1 7.1音箱系統(tǒng)的放置

　　高清音頻的應(yīng)用機(jī)會

　　下面介紹高清音頻的三大主要應(yīng)用機(jī)會。

　　1 數(shù)字電視（DTV）

　　數(shù)字電視是人們談?wù)摱嗟臒狒[話題之一。由于數(shù)字電視是種新鮮事物，一些相關(guān)報道及文章介紹中出現(xiàn)似是而非的概念，諸如"數(shù)碼電視"、"全數(shù)字電視"、"全媒體電視"、"多媒體電視"等，造成大眾感到困惑，茫然不知所措。其實(shí)，"數(shù)字電視"的含義并不是指我們一般人家中的電視機(jī)，而是指電視信號的處理、傳輸、發(fā)射和接收過程中使用數(shù)字信號的電視系統(tǒng)或電視設(shè)備。其具體傳輸過程是：由電視臺送出的圖像及聲音信號，經(jīng)數(shù)字壓縮和數(shù)字調(diào)制后，形成數(shù)字電視信號，經(jīng)過衛(wèi)星、地面無線廣播或有線電纜等方式傳送，由數(shù)字電視接收后，通過數(shù)字解調(diào)和數(shù)字視音頻解碼處理還原出原來的圖像及伴音。

　　數(shù)字電視是一個從節(jié)目采集、節(jié)目制作節(jié)目傳輸直到用戶端都以數(shù)字方式處理信號的端到端的系統(tǒng)。基于DVB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的廣播式和"交互式"數(shù)字電視。采用先進(jìn)用戶管理技術(shù)能將節(jié)目內(nèi)容的質(zhì)量和數(shù)量做得盡善盡美并為用戶帶來更多的節(jié)目選擇和更好的節(jié)目質(zhì)量效果，與模擬電視相比，數(shù)字電視具有圖像質(zhì)量高、節(jié)目容量大（是模擬電視傳輸通道節(jié)目容量的l0倍以上）和伴音效果好的特點(diǎn)。

　　數(shù)字電視（DTV）使用分立（數(shù)字）信號來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動圖像和聲音的發(fā)送與接收。從模擬電視到數(shù)字電視的轉(zhuǎn)換始于1990年代末期，而因?yàn)樗峁┝巳轿坏男律虣C(jī)，所以很快成為了電視廣播和消費(fèi)電子行業(yè)備受矚目的技術(shù)。在早期采用DTV的國家中，荷蘭和芬蘭分別在 2006年和2007年就完成了模數(shù)轉(zhuǎn)換；而美國從2009年6月12日起，國內(nèi)所有的電視臺都將只使用數(shù)字模式來播送節(jié)目。另一方面，英國已開始向 DTV的轉(zhuǎn)換，并預(yù)定在2012年全面實(shí)現(xiàn)DTV廣播。中國方面則計(jì)劃到2015年完成到DTV廣播的轉(zhuǎn)換。

　　2 機(jī)頂盒（STB）

　　機(jī)頂盒（STB）的全稱叫做"數(shù)字電視機(jī)頂盒",它是一種將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的變換設(shè)備，它對經(jīng)過數(shù)字化壓縮的圖像和聲音信號進(jìn)行解碼還原，產(chǎn)生模擬的視頻和聲音信號，通過電視顯示器和音響設(shè)備給觀眾提供高質(zhì)量的電視節(jié)目。它采用了兼容的辦法，在中國一直延續(xù)到現(xiàn)在。

　　3 藍(lán)光光盤

　　Blu-ray Disc,中文譯為藍(lán)光光盤，即藍(lán)光DVD是DVD光碟的下一世代光碟格式。在人類對于多媒體的品質(zhì)要求日趨嚴(yán)格的情況下，用以儲存高畫質(zhì)的影音以及高容量的資料儲存。它以前的競爭對手是HD DVD,兩者各有不同的公司支持，欲爭相成為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格。2008年2月19日下午5時，東芝公司在日本東京浜松町的本社大樓39層召開新聞發(fā)布會，東芝社長西田厚聰在各界媒體前宣布，東芝旗下的HD DVD產(chǎn)品將從3月末正式退出次世代DVD格式競爭。伴隨著此次發(fā)表，索尼的藍(lán)光在事實(shí)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了次世代DVD格式的天下一統(tǒng)。Blu-ray的命名是來自其采用的雷射波長405納米（nm），剛好是光譜之中的藍(lán)光，因而得名。（DVD采用650nm波長的紅光讀寫器，CD則是采用780nm波長）。

　　強(qiáng)制性的藍(lán)光格式音頻編解碼器

　　藍(lán)光格式規(guī)范定義了兩套可在藍(lán)光播放器中實(shí)現(xiàn)的編解碼器。其中套是強(qiáng)制性的，必須用作藍(lán)光光盤的主要音頻聲道。這些編解碼器包括：

　　◆ DTS–一種用于商業(yè)/影院應(yīng)用和視頻游戲等消費(fèi)應(yīng)用的多聲道數(shù)字環(huán)繞聲格式。

　　◆ 杜比數(shù)字或AC-3–一種可容納多達(dá)6個分立式音頻聲道的編解碼器，編碼比特率為640kb/s,而35mm電影膠片使用320kb/s的固定速率，DVD視頻光盤則限于448kb/s.

　　◆ 線性PCM–一種采樣頻率為48kHz或96kHz、每樣本16,20或24位，可容納多達(dá)8個音頻聲道的無壓縮音頻格式。比特率為6.144MB/s.

　　藍(lán)光格式的可選音頻編解碼器

　　藍(lán)光格式的可選音頻編解碼器包括有損和無損編解碼器。有損編解碼器包括：

　　◆ 杜比數(shù)字 Plus–一種基于AC-3的增強(qiáng)型有損編解碼器，可支持高達(dá)6.144Mb/s的比特率和7.1音頻聲道。它還能提供更先進(jìn)的編碼技術(shù)，降低壓縮失真（compression artifact），并后向兼容現(xiàn)有的AC-3硬件。

　　杜比數(shù)字+支持多達(dá)7.1聲道的高品質(zhì)環(huán)繞聲，使消費(fèi)者可以通過廣播電視、流媒體與媒體以及藍(lán)光光碟來享受的高清音頻體驗(yàn)。目前為止，已經(jīng)有數(shù)以千萬計(jì)帶用杜比數(shù)字+的電視機(jī)、機(jī)頂盒、藍(lán)光光碟機(jī)、音視頻接收器以及移動電話進(jìn)入消費(fèi)類電子設(shè)備市場。

　　◆ DTS高清高分辨率音頻–一種可擴(kuò)展原始DTS格式的有損編解碼器，支持96kHz和24位深度分辨率的7.1聲道。DTS-HD高分辨率音頻可提供高達(dá)6.0Mb/s的恒定比特率。

　　無損編解碼器則有：

　　◆ 杜比數(shù)字TrueHD–一種主要用于高清家庭娛樂設(shè)備（如藍(lán)光光盤）的高清多聲道音頻編解碼器。編碼比特率為18Mb/s（未壓縮速率）。這已顯示了高清音頻的高數(shù)據(jù)流量要求。

　　◆ DTS-HD主音頻–以前被稱為DTS++或DTS-HD,是原始DTS編解碼器的擴(kuò)展版本。這是一種無損音頻，具有高達(dá)24.5Mb/s的可變比特率，并支持192kHz采樣頻率和24位信號分辨率的7.1分立式聲道。

　　藍(lán)光高清音頻用例

　　一個高清音頻的計(jì)算密集型藍(lán)光使用包含主音頻（main audio）和子音頻（sub audio）流，以及一個音效流（effects stream）。主音頻流可結(jié)合DTS-HD 主音頻（見前述藍(lán)光光盤一節(jié)）或杜比TrueHD 7.1聲道，用于播放光盤。子音頻流可采用DTS-HD Express或杜比數(shù)字Plus,以獲得額外的數(shù)據(jù)，例如，從互聯(lián)網(wǎng)電影中的導(dǎo)演加注。音效流則是一個簡單的PCM音頻流，為屏幕菜單增添音效的選擇。

　　編碼流可使用DTS 5.1編碼器或杜比數(shù)字5.1編碼器，而編碼必須把數(shù)據(jù)以壓縮的格式傳送給一個兼容的音頻/視頻接收器（比如經(jīng)由S/PDIF電纜）。混合信號在發(fā)送給揚(yáng)聲器之前可能需要后處理功能，以補(bǔ)償聲音失配播放環(huán)境或各種不同的音頻不完整性。

　　圖2 5.1編碼系統(tǒng)

　　高清音頻IC的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　在設(shè)計(jì)高清音頻IC時，有若干因素需要考慮。高清音頻重要的特性是數(shù)據(jù)流量，因?yàn)橄啾葌鹘y(tǒng)的音頻應(yīng)用，高清音頻數(shù)據(jù)流量大大提高。僅對 I/O而言，這種數(shù)據(jù)流量在某些編解碼器就可能達(dá)到24.5Mb/s的輸入速率和在27.6Mb/s的輸出速率下達(dá)致每秒96kHz×8×24位的輸出。這就需要一種新的IC設(shè)計(jì)方案來確保這些挑戰(zhàn)得到解決，同時保證音頻的質(zhì)量。

　　另外，一些采樣頻率達(dá)192kHz、帶6個或8個聲道，并且運(yùn)算很高的無損音頻編解碼器，如DTS-HD主音頻或杜比TrueHD,它們的計(jì)算要求極高。如果不予以改進(jìn)，單單一個編解碼器就可能消耗掉傳統(tǒng)DSP的全部MHz預(yù)算。

　　性能要求

　　如上所述，高清音頻實(shí)現(xiàn)方案（如藍(lán)光光盤應(yīng)用）的數(shù)據(jù)處理要求非常高。在如此高的數(shù)據(jù)率下，很多現(xiàn)有的單核DSP解決方案都無法保證高質(zhì)量的數(shù)據(jù)處理，故業(yè)界不少解決方案開始傾向于采用能夠滿足視頻結(jié)合音頻的處理開銷要求的雙內(nèi)核方案。

　　而且，在DSP解決方案的實(shí)現(xiàn)中，除了強(qiáng)制性及可選音頻編解碼器之外，還需要許多后處理功能，而這些后處理功能正是眾多實(shí)現(xiàn)方案的差異化因素。由于在處理的高清音頻編解碼器時，許多單核DSP都會有過載的情況，所以幾乎沒有什么剩余能力可言，即便有，也差不多都是用于強(qiáng)制性后處理。

　　芯片尺寸/功耗考慮

　　由于制造商和設(shè)計(jì)人員不得不應(yīng)對挑戰(zhàn)，把所有必要的處理功能全部塞入尺寸越來越小的芯片中，這使現(xiàn)有的芯片尺寸也面臨著巨大的壓力。采用多核解決方案雖然可以提供這些處理能力，但芯片尺寸、相應(yīng)的價格增加和驅(qū)動子系統(tǒng)所需的電能之間的權(quán)衡都可能往往令人望而卻步。特別在滿足具有特殊功率和外形尺寸限制的高清設(shè)備（如便攜游戲機(jī)）要求時，這一點(diǎn)尤其關(guān)鍵。

　　即使對于非移動設(shè)備，功耗也是一個重要的考慮因素，因?yàn)樗绊懙皆O(shè)備的散熱性能。較高的功耗可能需要某些冷卻手段，從而對產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)造成影響。

　　任務(wù)切換的存儲器交換

　　高清音頻系統(tǒng)中必須執(zhí)行大量并行任務(wù)，故需要非常頻繁的存儲器交換。這些交換必然會致使存儲器帶寬過載，讓系統(tǒng)無法處理增加的總線流量，終快速降低音質(zhì)。另外因?yàn)橹噶罴３２捎?2位格式編寫，這又使得指令更大，指令間間隔更長，進(jìn)一步加劇數(shù)據(jù)過載問題，而 16位指令集可以減輕這種負(fù)載。在數(shù)據(jù)方面，某些高清音頻編解碼器需要100Kb以上的數(shù)據(jù)RAM外加相當(dāng)大的數(shù)據(jù)表，也就是強(qiáng)制要求利用存儲器交換以高效利用RAM存儲器。

　　慢速外部存儲器存取

　　許多在DSP上運(yùn)行的音頻算法傳統(tǒng)上均以非序列（non-sequential）的方式對大容量緩存進(jìn)行存取。一般而言，這些緩存都太大，無法駐留在處理器的片上存儲器中，故它們必須置于速度較慢的外部存儲器中，如DDR SDRAM.另外，非序列存取也給維持高性能的目標(biāo)帶來一個挑戰(zhàn)。由于音頻解碼器常常與視頻解碼器爭奪數(shù)據(jù)總線吞吐量，故存儲器存取效率非常重要。要提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，就必須解決這個難題以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

　　解決難題

　　要解決影響高清音頻DSP領(lǐng)域的眾多問題，需要一個基于功能強(qiáng)大的數(shù)字信號處理器的系統(tǒng)，其中應(yīng)包括合適的軟件和外設(shè)。CEVA-HD-Audio就是這種高清音頻系統(tǒng)的實(shí)例，它是一個全面完善的單核DSP解決方案，能夠滿足嚴(yán)苛的高清音頻使用的要求。

　　CEVA-HD-Audio是基于CEVA-TeakLite-III DSP內(nèi)核的系統(tǒng)。CEVA-TeakLite-III擁有本地32位處理能力和雙乘法累加（Multiply-Accumulate, MAC）架構(gòu)，是需要先進(jìn)音頻標(biāo)準(zhǔn)的高清音頻應(yīng)用的理想DSP方案。另外，CEVA-TeakLite-III還具有良好平衡的10級管線，使其內(nèi)核在 65nm工藝下的運(yùn)作頻率仍超過550MHz（在差條件和工藝）。CEVA-HD-Audio集成了一個帶有32位寄存器文件、64位數(shù)據(jù)存儲帶寬、 32×32位乘法器和自動32位飽和的本地32位SIMD DSP處理器。CEVA-TeakLite-III還具有一個帶有完善MAC指令集的雙16×16 MAC,可實(shí)現(xiàn)語音/VoIP和全面的流處理位操作（bit-manipulation）功能，這對流處理十分有用。除了帶有多點(diǎn)的固有32位數(shù)據(jù)處理功能之外，單周期32位MAC單元還包括用于無損編解碼器的72位MAC累加，和獨(dú)特的單與雙FFT蝶形指令（butterfly instruction），以及一個2/4周期內(nèi)核。

　　圖3  CEVA TeakLite-III結(jié)構(gòu)框圖

　　CEVA-TeakLite-III架構(gòu)嵌入了CEVA-Quark指令集，是全面的獨(dú)立式嵌入緊湊型指令集架構(gòu)（ISA）。這種獨(dú)特的 ISA旨在僅利用16位指令，減小芯片的尺寸和成本，同時降低功耗，減少存儲器存取次數(shù)。CEVA-Quark ISA是一套完整的指令，包括存儲器存取、算術(shù)與乘法運(yùn)算、邏輯、移位和流處理位操作指令以及控制操作。應(yīng)用程序開發(fā)人員還可以把CEVA-Quark指令與其他更先進(jìn)的CEVA-TeakLite-III指令相混合，無須切換到不同的運(yùn)作模式。這種組合特性可使代碼量減少4倍，周期數(shù)減少了近9倍。

　　利用單核實(shí)現(xiàn)高性能高清音頻

　　上面提到的處理效率，顯示CEVA-TeakLite-III能夠利用單核DSP,輕松提供完整的高清音頻支持。由于它擁有更小的存儲器，所以尺寸更小，性能更高，比市場上其他競爭解決方案更為優(yōu)勝。單核實(shí)現(xiàn)方案也意味著不論從硬件還是軟件的角度來看，應(yīng)用開發(fā)和集成都更為容易。

　　本地音頻處理

　　CEVA-HD-Audio具有32位本地處理能力，故能為高清音頻算法提供很高的。此外，64位的數(shù)據(jù)存儲器帶寬可確保 DSP不斷有數(shù)據(jù)樣本與系數(shù)饋入，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)處理。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，CEVA-HD-Audio解決方案還備有一套完整的音頻編解碼器。音頻編解碼器算法設(shè)計(jì)使用一個普通的DMA引擎，使數(shù)據(jù)傳送和算法執(zhí)行能夠并行進(jìn)行，有助音頻算法和編解碼流程。另外，CEVA-HD-Audio還包含了一個帶有指令緩存的存儲子系統(tǒng)、用于數(shù)據(jù)的緊密耦合存儲器和AHB/APB系統(tǒng)接口（包括主和從接口）。這些特性能幫助CEVA-HD-Audio用戶滿足復(fù)雜音頻使用、外部存儲器存取的高延時和有限的系統(tǒng)速度等嚴(yán)苛要求。它們也易于集成到基于CPU的SoC中，可以實(shí)現(xiàn)完整音頻系統(tǒng)的快速產(chǎn)量提升。

　　高清音頻的軟件開發(fā)

　　一套包括C編譯器、匯編器、鏈接器、代碼庫、調(diào)試器和仿真器的完整的軟件開發(fā)工具也是非常重要的，因?yàn)樗鼈兡軌驇椭脩粞杆俜奖愕剡M(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和集成。一個基于GUI的開發(fā)環(huán)境也讓編程人員能夠輕松遵循不同的處理流程，提高編程、編譯和調(diào)試流程的效率。