基于WN6102的杜比AC-3音頻解碼優(yōu)化

童 鼎，李訓根，黃 凱，楊 洋

(1.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州310018;2.浙江大學超大規(guī)模集成電路設計研究所，浙江杭州310027;3.杭州微納科技有限公司，浙江杭州310012)

0 引言

杜比AC-3音頻技術是由日本先鋒公司與美國杜比實驗室共同研制而成。杜比AC-3具有5.1聲道的環(huán)繞立體聲系統(tǒng)，由5個全頻帶聲道和1個超低音聲道組成［1］。這6個聲道的信息能完美再現(xiàn)高音質的立體聲。杜比AC-3解碼算法的核心是通過逆改進離散余弦變換(Inverse Modified Discrete Cosine Transform，IMDCT)完成頻預到時域的轉換。本文首先在軟件上對IMDCT運算進行了優(yōu)化，使得該運算所需的存儲空間和運算量大幅縮減。之后，將優(yōu)化后的算法移植到了自主的32位WN6102 MCU平臺上，最后結合該芯片所特有的音頻加速模塊(Audio Accelerator，AUAC)，將該算法中軟件實現(xiàn)的IMDCT運算進一步優(yōu)化成硬件直接完成運算。實驗證明，優(yōu)化后的算法在完成相同的時頻轉換條件下，顯著提升了系統(tǒng)運算速度，有效節(jié)省了系統(tǒng)資源，使得該算法可以更加廣泛高效地應用于更多的領域。

1 杜比AC-3解碼

1.1 AC-3比特流格式

AC-3輸入碼流由一系列同步幀構成，如圖1所示。每個同步幀包括同步信息、比特流信息、6個音頻數(shù)據(jù)塊、輔助信息單元以及2個CRC校驗字。每個音頻塊內又包含了指數(shù)編碼數(shù)據(jù)、比特分配參數(shù)，量化尾數(shù)等信息。

圖1 AC-3碼流幀結構

1.2 AC-3 解碼原理

AC-3解碼器的解碼流程如下:解碼器接收AC-3比特流后先與先進行數(shù)據(jù)校驗，經過誤碼檢測后從數(shù)碼流中提取出控制數(shù)據(jù)、系統(tǒng)配置參數(shù)、編碼后的頻譜包絡及量化后的尾數(shù)等數(shù)據(jù)。然后根據(jù)聲音的頻譜包絡產生比特分配信息，對尾數(shù)部分進行解量化，恢復出變換系數(shù)的指數(shù)和尾數(shù)。再經過合成濾波器組，把數(shù)據(jù)由頻域變換到時域，最后輸出重建的PCM信號。解碼原理框圖如圖2所示。

在整個解碼算法中，綜合濾波器組的作用便是使用IMDCT運算將輸入的256點的頻域采樣序列轉化成512點的時域序列，再乘以時間窗還原出原來的音頻信號。

圖2 AC-3音頻解碼算法框圖

2 IMDCT的軟件優(yōu)化

杜比AC-3解碼中的IMDCT變換有短變換和長變換兩種方式，解碼時采用方式取決于比特流中的塊切換標志位。它們的區(qū)別在于使用的正弦、余弦變換表的元素個數(shù)及取值不同。

本文以長塊為例進行優(yōu)化，長塊IMDCT的變換表達式為:

式中，0≤n≤2N－1，x(n)表示時域采樣序列，X(k)表示頻域采樣序列，本文中N=256。

可見直接進行IMDCT運算是相當耗時的，且占用大量存儲空間。因此，本文將512點的IMDCT運算優(yōu)化成128點的FFT進行運算。這樣可以大大減少計算量和存儲空間。

依據(jù)時域混疊特性［2］，式1中只需計算x(n)的偶數(shù)項序列，便可得到其奇序列。不論輸入X(k)為實數(shù)還是復數(shù)，F(xiàn)FT總是復數(shù)的運算過程［3］。式1可以優(yōu)化成如下表達式:

此時，0≤n≤N/2－1，把式2中的Y(k)W(4k+1)8N看做N/2點的輸入序列，則式2便是一個標準的DFT表達式。而DFT又可以轉化為FFT方式大幅降低運算量，之后再進行時域加窗混疊處理，即可得到2N點的時域采樣序列。

本文先在PC機的平臺上，使用VC6.0編譯工具分別實現(xiàn)了優(yōu)化前與優(yōu)化后兩種IMDCT算法，優(yōu)化前后結果如表1所示，表1中N=256。表1數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化后IMDCT運算所需的計算量和存儲空間都有了顯著的提升。

表1 算法軟件優(yōu)化前后數(shù)據(jù)

3 基于WN6102平臺的優(yōu)化

3.1 硬件平臺介紹

本實驗算法的目標硬件開發(fā)平臺是以CK610E CPU處理器為核心的高性能32位MCU—WN6102。CK610E處理器是由浙江大學和杭州中天微系統(tǒng)公司聯(lián)合開發(fā)的32位嵌入式CPU［4］。WN6102的AUAC模塊，使其可以在音頻領域得到廣泛的應用。AUAC內部結構如圖3所示。

圖3顯示AUAC內部結構主要由5部分組成:主數(shù)據(jù)接口、從數(shù)據(jù)接口、邏輯控制、寄存器地址以及運算器。它支持多種運算模式，有加法、乘法、累加、乘累加、減法、快速傅里葉變換等運算。不同運算模式間主要區(qū)別在于運算器運算方式選擇的不同。

3.2 基于AUAC的優(yōu)化

實驗顯示軟件優(yōu)化后的IMDCT算法消耗的CPU資源依舊很大，使其應用受到限制。結合AUAC支持乘累加和FFT運算的特點，實驗中將IMDCT運算做了進一步優(yōu)化。優(yōu)化后的IMDCT分為4步來實現(xiàn)，分別為:(1)FFT變換前加窗處理;(2)128點FFT運算;(3)FFT變換后加窗處理;(4)時域混疊處理還原出512個時域信號。

就運算量和運算方式而言:第一步加窗運算需2N次乘法運算和N次加法運算，轉換成AUAC的乘累加模式來實現(xiàn);第二步N/2點的FFT運算可以直接由AUAC的FFT模式直接完成;第三步加窗運算需2N次乘法運算和N次加法運算，轉換成AUAC的乘累加模式來實現(xiàn);第四步時域混疊需5N/2次乘法運算和N次加法運算，采用AUAC的乘累加模式來實現(xiàn)。

在這一實現(xiàn)過程中，AUAC需執(zhí)行3次不同的乘累加運算和1次FFT運算才能實現(xiàn)1次IMDCT運算。在此本文將每一步運算都轉換成4個階段來完成。4個階段的運算邏輯結構如圖4所示。

圖3 AUAC內部結構框圖

圖4 AUAC運算邏輯結構圖

圖4顯示的4個階段為:數(shù)據(jù)地址生成、獲取操作數(shù)、運算、回寫。每一階段的實現(xiàn)方式及功能如下:(1)數(shù)據(jù)地址生產階段，配置操作數(shù)的類型、位寬及操作數(shù)所存儲的內存空間等，運算時將生成內存數(shù)據(jù)讀取操作，并發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令;(2)獲取操作數(shù)階段，操作數(shù)種類有內存中待計算原始數(shù)據(jù)和中間計算結果數(shù)據(jù)。本文中AUAC所實現(xiàn)的IMDCT運算中有3步是基于乘累加模式實現(xiàn)的，故而每步都需配置相應的中間計算值數(shù)據(jù)的存儲地址以供完成相應的運算;(3)運算階段，在獲取操作數(shù)后，該階段就會根據(jù)運算類型進行相應的運算操作。執(zhí)行乘累加運算模式時，在選擇操作模式后，還需分別配置相應的乘或加的運算次數(shù)。優(yōu)化后的IMDCT運算中第二步的FFT運算則可以直接配置相應寄存器，使得AUAC工作于FFT模式，來直接替代繁瑣的軟件運算;(4)回寫階段，配置計算結果的存儲地址，該階段會將最終的計算結果回寫到指定的的內存空間中。

實驗中進行1次IMDCT運算，用Timer(CPU時鐘頻率為48M)分別測試經過軟硬件優(yōu)化后IMDCT 4個模塊運算消耗的時鐘數(shù)，測試結果如表2所示:

表2 兩種優(yōu)化后IMDCT運算的結果

表2顯示軟件實現(xiàn)的IMDCT運算1次需要消耗0.6M的CPU資源，而AUAC硬件實現(xiàn)的IMDCT運算1次只需消耗0.02M的CPU資源。實際音頻解碼中1幀音頻數(shù)據(jù)包含了6個音頻塊，以解壓成雙聲道音頻為例，那么解壓1幀的數(shù)據(jù)就需要進行12次IMDCT運算。軟件實現(xiàn)需要消耗7.6M的CPU資源，而AUAC模塊實現(xiàn)只需要0.24M的CPU資源，它能高效的滿足嵌入式音頻的實時性要求，該方法實現(xiàn)的AC-3解碼算法可以更好得應用于嵌入式領域。

4 結束語

目前國內外對AC-3音頻解碼系統(tǒng)的設計主要可分為:純硬件設計、純軟件設計、軟硬件協(xié)同處理。純硬件實現(xiàn)的解碼速度是最快的，但這樣做成本太大，可移植性低，目前國內外對AC-3解碼純硬件實現(xiàn)的研究還很少。純軟件實現(xiàn)方面，文獻5對AC-3音頻解碼算法的復雜度和解碼運算量方面進行了估算，得出解碼器大致需要40M的運算量。文獻6則只在VC6.0平臺上對標準AC-3解碼算法的IMDCT運算進行了優(yōu)化，使得解碼總時間縮短了16%左右。顯然純軟件的解碼方式效率還是比較低，無法滿足嵌入式的實時性要求。

本文對AC-3音頻解碼中運算量最大的IMDCT進行分析，在對其進行軟件優(yōu)化后，結合WN6102芯片的特性，有效地通過AUAC硬件模塊實現(xiàn)了IMDCT運算。整個解碼的其余部分通過軟件實現(xiàn)。實驗結果表明，經過硬件實現(xiàn)后的IMDCT所占系統(tǒng)資源已相當?shù)土?，這種軟硬件協(xié)同處理實現(xiàn)的AC-3音頻解碼效率遠高于純軟件的實現(xiàn)方式。

［1］ 王文卿，韓澤耀.杜比AC-3的MDCT算法分析及定點仿真［J］.計算機仿真，2007，24(5):306－310.

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［4］ 楊洋，郭斌林，黃凱.一種面向無線傳輸?shù)囊纛l編解碼算法的實現(xiàn)和優(yōu)化［J］.計算機系統(tǒng)應用，2010，19(6):70－73.

［5］ 劉曉華，陳健.Dolby Digital音頻壓縮技術的研究和仿真［J］.電聲技術，1998，12(1):2－7.

［6］ 陳瑋，余曄.AC-3音頻解碼的IMDCT算法優(yōu)化［J］.微計算機信息，2011，27(4):206－207.