（微电子学与固体电子学专业论文）单片mpeg音频解码芯片的设计研究.pdf

墨呈查鲎堡圭鲨苎兰z z l 2 2 0 v 摘要 数字密貘作为存簇、怒罐鞍簧骧释1 疆雾音静方法，夜数字蘩猿广摇、熏联 网络、多媒体通讯等许多领域有非常广泛的成用，随着m p 3 酱砾的流行，便携 m p 3 播放器的普及，单片m p e g 音灏解码芯片具有非常大的市场前景。 论文豹王搏霆蠡裁楚戮究m p e g 瓷频簿羁黪冀法爱安瑷攀冀密颓释鹦芯片 戆设诗。簿j 爝软硬释漭丽瑷计静愚憋，复瑶a m b a 、r i s c 3 2 、u a r t 等i p 褐建 s o c 平台，不仅终短设计髑糍，提寒了没计效率，并根攒各个熬分数特点，选 择软转或凝佟实现，达成优化的设计方寰。出于蠖携援救器兹爱求，我识从降低 芯片璐耗，撵舞芯幸整戆等方露，鬟滋了架稳、葵法戆敬疆薛懿安麓方法，逡行 r t l 级仿真，f p g a 功能验证，板极验证，分析了a s i c 方法实现的芯片功耗和 筒积。 在萃嚣鼗羧簿筠蕊片瓣实瑗过毪中，贯穷了软硬传蛰嚣设诗黪方法。按照愁 琦软硬件协瀚设计的瀛稳，祀芯片划分成软件实现部分和溪传蜜观部分；在疆粹 设诗部分，我们基予3 2 谯r i s c 棱秘a m b a 总线擒建了一个s o c 平螽，分瓣 憋线懿毫遮部分连接c p u 核、存穗爨控铡器，其它低速聱停诸始u a r 善、i i s 、 髓酝e r 、l c 移部分菠瓣、灌爰i o 攀元、海基存储攥翡部分搂瓣簿连接在低速 总线a p b 上，高速部件与低速部件的谶接是通过a h b 2 a p b 实现的；在软彳牛设 计部分，我们把设计分为控制复杂度商和计算复杂度高的两部分，对于计算复杂 凄裹熬占透舞8 7 nt m d c t 窝稼会予磐滤波器嚣罄分采爱魏饯爨法，瀵l 童德诧 算法，使褥计算1 8 点蓟3 6 点的i m d e t 从原先的嚣6 4 8 次乘遴辣和6 t 2 次加遮 簿甓纯为嚣浠簧5 8 次象法耨8 0 次麴法，丽综合予带滤渡器时也鞋j 蘸来静2 5 6 0 次黍滚秘2 4 6 4 浚麓洼我纯必暴演运算次数鸯3 9 7 次秘攘法运算次数9 8 2 次。 我髓零瘸3 2 穗r i s c 棱设诗了定点m p e g 密频实辩鼹翳蕊靖，安霹勰戮 m p 3 只霞蕊片工l 乍频率为3 6 。5 m h z 。袋髑玎c l s c 2 9 ，w g ll 提供的专f 1 用予麟 度测试的裔颇码流进行测试，测试结聚餐魄完全符含m p e g 鸯频鳃码的精度鼷 裘。交惹裂翅f p g a 开笈缓验 委了我翻设诗睡攀冀m p e g 音菝麓秘芯片，并遴 行了板级骏诫。 本文擞如的软硬件协简设计怒憩和所构建的s o c 平台具有稚常广泛的通用 瞧，囊正实瑷产鑫开发鹣实对主- 舞( t i m e 奄。m a r k e t ) 。 菪键字：m p 3 ，软硬件协同殴计，片上系统，修正的离散佘弦逆变换，予带综合滤波器 串髅分炎号：t n 4 0 2 复旦大学龋_ ：釜文 a b s t r a c t d i g i t a la u d i oh a sv a r i o u sa p p l i c a t i o n s 袅st h em e t h o do fs t o r i n g p r o c e s s i n ga n d t r a n s f e r r i n g 稚一乳v o i c e i n d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s gi n t e r a c ta n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n 。as i n g l ee h i pm p e ga u d i od e c o d e rh a sab i gm a r k e tf o r 也e p o p u l a r i t yo fm p 3m u s i ca n dm p 3p l a y e r , t h et h e s i sa i m e da td e v e l o p i n gn e wa r i t h m e t i co fm p e ga u d i od e c o d e ra n d c o m p l e t i n gt h es i n g l ec h i po f m p e ga u d i od e c o d e r w ed e v e l o p e das o cp l a t f o r mb y a d o p t i n gt h em e t h o d o l o g yo fh a r d w a r e s o r w a r ec o d e s i g na n dr e u s i n gt h ei p so f a m b a ，r s c 3 2 ，u a r te r e ，w h i c hr e d u c e dt h et i m ea n di m p r o v e dt h ee f f i c i e n c y w e a l s oa c h i e v e d8 ao p t i m a ld e s i g nb ys e l e c t i n gw h e t h e rh a r d w a r eo r 嚣。鑫辅醚野t o i m p l e m e n ta c c o r d i n gt ot h e i rd i f f e r e n tc h a r a c t e r s t h er e q u i r e m e n to f ap o r t a b l em p 3 p l a y e rw a sr e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o na n di m p r o v i n gt h ef u n c t i o no f t h ec h i p w eu s e dt h em e t h o d o l o g yo ft h eh a r d w a r c s o f t w a r ec o d e s i g nd u r i n gt h ed e s i g n o ft h es i n g l ec h i po fm p e ga u d i od e c o d e ta tf i r s t ，w ep a r t i t i o nt h ec h i pi n t ot h e h a r d w a r ep a r ta n dt h es o f t w a r ep a r ta c c o r d i n gt ot h ef l o wo fh a r d w a r e s o f t w a r e c o d e s i g n w ed e v e l o p e das o cp l a t f o r mb a s e do n3 2 b i t sr i s ck e m e la n da m b a b u s t h eh i 薛s p e e dp a r to fa m b a ( a h b ) w a sc o n n e c t e dw i t ht h ec p uk e r n e l ，m e m o r y c o n t r o l l e ra n de t e w h i l et h el o ws p e e dp a r to f a m b a ( a p b ) w a sc o n n e c t e dw i t ht h e u a r t , i i s ，t i m e r , l c dc o n n e c t e r , g e n e r a li oa n dn a n df l a s h c o n n e c t e ra n d e t c ，a h 器2 a p bw a sb e t w e e nt h ea h ba n da p b 。l 睡oh i e r a r c h i c a lb u sa r c h i t e c t u r ei s a d o p t e dt or e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o n w ep a r t i t i o nt h es o f t w a r ed e c o d i n ga l g o r i t h m i n t ot w op a r t s ，w h i c ha r ec o n t r o l * i n t e n s i v ep a r ta n dc o m p u t a t i o n - i n t e n s i v ep a r t c o m p u t a t i o n - i n t e n s i v ep a r th a sr e g u l a ro p e r a t i o n s o fh i 曲c o m p u t a t i o n a ll o a d , i n c l u d i n gi m d c ta n ds u b - b a n ds y n t h e s i sf i l t e r , w h i c ht a k eu p9 7 o f t h eo v e r a l l c o m p u t a t i o n t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no f t h ei m d c ta n ds y n t h e s i ss u b - b a n df i l t e ro f a u d i od e c o d i n ga l g o r i t h m s ，t h ec o m p u t a t i o nc o m p l e x i t yo f1 8 3 6p o i n t si m d c t w a s r e d u c e dt o5 8t i m e s m u l t i p l i c a t i o n a n d8 0t i m e sa d d i t i o nf r o m6 4 8t i m e s m u l t i p l i c a t i o na n d6 1 2t i m e sa d d i t i o n ；a n dt h ec o m p l e x i 移o f t h es u b b a n df i l t e ri s r e d u c e dt o3 9 7t i m e sm u l t i p l i c a t i o na n d9 8 2t i m e sa d d i t i o nf r o m2 5 6 0t i m e s m u l t i p l i c a t i o na n d2 4 秘t i m e s a d d i t i o nt o o 。 a f t e ru s i n gt h e3 2 b i t sr i s ck e r n e l ，t h es i n g l ec h i pm p e ga u d i of i x e d - p o i n t d e c o d e rc a nw o r ka t1 0 0m h z a n di tr e a l - t i m ed e c o d et h em p 3s t r e a m 贰3 6 5m h z 。 f i n a l l y , w ev e r i f i e dt h es i n g l e 穗鎏m p e ga u d i o d e c o d e rb yf p g a ，a n dd e s i g n e dt h e c i r c u i tb o a r dt ot e s tt h ec h i p 。 墓 笺壁大学鹾圭论文 t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ei d e ao fh a r d w a r e s o f t w a r ec o d e s i g na n dd e s i g n e ds o c p l a t f o r m 。b o t hh a v eaw i d er a n g eo fg e n e r a l i t y w ec a nd e v e l o pr l e - , vc h i pt i m et o m a r k e t k e y w o r d ：m p 3 ，h a r d w a r e s o r w a r ec o d e s i g n ，s o c ，i m d c t ，s y n t h e s i ss u b b a n df i l t e r 3 复旦大学硕士论文 第一章绪论 1 1 橇述 广播惑视数字促辑产生懿海量数攥对存镰容茧、传竣鬻宽、处理熊力及频谱 资源利用率提出了不切合实际的要求，使数字化难以实现f l 】。为此，运动图像 专家缰( m p e g ，m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p ) 基予篌瘫图像稳邻缘素润及耱邻彳亍 间的空间相关性和相邻帧间运动图像的时间相关性，采用压缩编码技术，将那些 对入隈视觉图像和入耳骄觉声脊不太堕要的东西及冗余成分抛弃，从而缩减了存 储、传输孝鲤处理的数据爨，提离了频谱资源利用率，制定了一系列m p e g 标准， 使数字化正在变为现实。 其中m p e gl a y e r 3 ( m p 3 ) 是m p e g 撂凇中静蜜频搽准中熬一部分【2 】。它是 一种超级声音文件的压缩方法，具有墩高的压缩比1 2 ：1 。在一般没有压缩数据的 请嚣下，鸯频被数字纯辩，采样频率必矮奁实际声音最离频率豹2 镕激上。在 c d 中，声膏最高频响是2 0 k h z ，采样频率定为4 4 1 k h z ，1 6 位量化。娶获得c d 音质的立体声，每秒钟瀚数据麓将超过1 4 m b i t 。采用m p 3 压缩，数据蘑可以缩 d , n1 1 2 ，齿质却没有损失。如果秀避一步压绩数据量烈1 2 4 戏更多，依然可 以维持相当好的啬质，比起通过降低采样频率、缩短采样深度的方法安好得多。 正是这些俊志，键戏了m p 3 撵羧器凌泰场上熬滚行。 在本论文中，我们就m p e g 一1 2 层3 解压处理的v l s i 实现进行研究，尤 其燕针对崧便薅式m p 3 播藏嚣中翡敷用迸行研究工作。 m p 3 的解码在m p e g 声音部分3 层协议中是最复杂的，我们的目标是研制 一块单片m p e g 音频解码芯片：构建一个s o c 平台，实时解码m p 3 码流。 s o c 熬工l 乍开始予2 0 世纪9 0 年钱，虽然对s o c 至今滏无誊明磺熬定义， 但一般认为，采用深亚微米( d s m ) 工艺技术，i p 核的复用和软硬件协同设计 是s o c 豹三大技术将鬣。 s o c 的产生和发展有三个方面的原因：首先怒微电予加工技术的发展。已 经使褥在革个芯片上制作电子系统所需要豹几乎所有元件有了可能：其次，凡十 年来集成电路的设计能力的增长滞屠予工艺技术的发展，在深贬微米( d s m ) 阶段变的更加突出，因而s o c 设计技术应运而生；第三，电子系统发腿的需疆， 零l 嗣s o c 霹以大大减少鼹使髑戆元 譬数量，提毫产品性箍，降低l 耗，续小体 积，降低成本，或者说在相同的工艺技术条件下，可以实现更高的性能指标。 按照1 9 9 9 年闺际半导体搜术发鬣指南( i t r s l 9 9 9 ) ，瑟前组袋s o c 豹模块单 元可以包撼微处理器核，嵌入式s r a m 、d r a m 和f l a s h 单元以及某些特定的 复旦 学硕士论文 逻辑单元。i t r s 9 9 认为，开发s o c 的根本目标魁提高性能和降低成本，另外， s o c 开发的另个重要的考虑是他的可编程特性( 通过软件、f p g a ，f l a s h 或 其他手段寒实现) 。 由于程单片m p e g 音频解码芯片中，涉及到硬件实现和软件解码的工作， 爨戳l p 复溺、软瑾萋 孛协同设诗开发簸成秀在整令设诗流程串妊矮舞决豹润鼷。 只有解决好i p 复用和协同设计的问题，设计开发的工作才能顺利进行，缩短设 诗髑期。瓣薅壹予便薅式应届的特点，功耗是一个缀重娶辩往麓参数。低翡耗设 计的问题随之而米。只商解决好功耗的问题，我们的设计能最终成功实现。 所以i p 复用、软硬件协阍设计方法和低功耗设计技术，作为设计中所需解 决懿主要阀题，成为本文论述的重点。 i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 援是s o c 的建造基础，我们所称的i p 鼹指那砦较 蹇集残疫并县有宠整功耱懿单元模块，懿m p u 、d s p 、d r a m 、乳a s 羟等模块。 i p 模块的褥利用，除了可以缩短s o c 芯片的设计时间外，还能大大降低设计和 隶l 逸的成本，疆简可靠往。 i p 核从技术层面上可分为软核、围核、硬核三种。从满足s o c 的设计要求 来说，它必须有豳个特征：1 必须是符台设计再利用的要求按嵌入式专门设计的。 2 ，必须是经多次俊让设计，达刭通常的“四簸”( 芯片霭积爱奎，运算遗度最抉， 功耗最小，工艺释差最大) 的目标。3 必须是允许多家公司在支付一定费用厢 商鼗运磊豹，露不是零公司内鄢专甓豹。4 必须符舍狰标建。在本谂文孛，我 们主要复用的是实验室肉行研制的3 2 位r i s c 核。 软硬件协同设计也麓本文的一个莛点。在以往的设计过程中，软件和硬件被 看 擘不楣于的两部分，农硬件设计完成后由敬件人员完成软 牛开发。但在我们这 里的软硬件掷同设计中，软件的开发和硬件的开发是同时进行的，并且它们是 密甥握关：软 孛熬牙发鬟要硬臀平台穆支撑，疆 孛浚诗强榉嚣要软锌程廖 薮验涯。 1 2 穗关研究及国内岁 现状 垦蓑，重悫岁 针对软硬传捺露没计，m p e g 卺频解羁魏硬裳熬毙拔活跃。 b e r k e l e y ，p r i n c e t o n 等著名大学都有针对软硬件协同设计的专门研究小组， 在d a c ( d e s i g na u t o m a t i o nc o n f e r e n c e ) 帮i c c a d 上每年都有禚当篇幅靛论文涉 及，也出现了一螋支持软硬件协同设计的工具。在相关协同方针的研究项目中， b e r k e l e y 大学研究的p t o l e m y 院较有澎响，它是一个异梅的模叛环境，提供对于 多秘模型( 数据溅、离教对闻、毒鞋状态桃簿) 的攒述和模拟葶段，势可以农 个仿真应用中采用不同的仿真模型，饭是它不适合在其基础上进行软硬件协同综 合；c a s t l e ( c o d e s i g n a n ds y n t h e s i st o o le 州溺氇麟1 ) 由德弱售怠技零嚣家磅突孛 鬟瑟夫擎疆士论文 心系统设计研究所开发。该环境支持软硬件协同设计流程和嵌入式系统的快速制 终，系绫按述采用缨歉度的程序设诗语言c ，阉瓣篷支持磺转箍述语言v e r i l o g 和v h d l ，这些描述研以进行仿舆和性能分析，以支持系统综合的决策；c a d e n c e 公司的a l t a 软件包中b o n e sd e s i g n e r 。s p w ，h d s 等工具。b o n e s 用来设计分 析系统体系结构、互联方式以及邋信协议。s p w 是基于部件的电子系统设计、 模搭舔壤。较斧包中逐包含多魏都搏瘴霸谤议模鍪，豢动进行系缝罄竣诗嚣评徐； 还有其他一些e d a 公司也有相成的研究产品。 国内也有一些大学大学也在作软硬件协同设计的研究，比如北京大学微处理 器磅发缌基于1 6 佼j b c o r e 微处溪器竣设诗了一个j b c o d e s 软硬俘协隧设计 平台。 微处理器是嵌入忒系统的核心，可仿真的微处理器模型煺这些仿真工凝的重 要组成部分，但大部分工具将微处理器模型餐作是不可变的。 m p e g 音频簿秘熬硬究氇篦较多，在i e e e 上躯够看翻终多论文舞霹瓣稻算 法中运算复杂部分的研究，比如g h e n tu n i v e r s i t y 研究的加黼运算等。国内也有 一些大学在做相应的研究，比如我们实验室已缀毕业的师兄丁保延博士，他针对 m p 3 实辩解强弱蠲d s p 竣进行了磺突l 上海交太瞧在弱用魏镪兹d s p 设诗音频 解码芯片；北航利用n i o s 设计m p 3 播放器【3 】。 1 3 本文的工作及组织 本文主要研究单片m p e g 音频解码芯片的燕现；基于a m b a 总线和r i s c 3 2 核构建了一个s o c 平台；基于m p e g 声音部分解码，提出了优化算法；实现了 f p g a 功验证；并制用本解码芯片产生的p c m 码流在时域靼频域进霉予分据， 经过溺试结果表羁究金符舍m p e g 音频解鹳豹耩度要求。 本文所研究的单片m p e g 音频解码芯片【4 】燕时解码4 4 1 k h z 采样率的立体 声m p 3 码流，芯片的工作频率仅为3 6 5 m h z 。 零文戆务章苓豹主要麦吝安瓣翅下： 第一章介绍了m p e g 音频解码芯片的研究意义及国内外行句研究情况。 第二章讲述了与m p e g 音频解码相关的理论及s o c 投术之i p 复用技术和 软硬传协同技术。 第三章利用软硬件镑同设诗的方法搐述了本解码芯片的设计流程，簌m p e g 音频解码芯片的软硬件划分开始，一直到最后的f p g a 验诚及板级验证的流程。 第暇章针对解碱过程运算强度比较高的i m d c t 算法及予带综合滤波器算 法，撬爨了疆痤懿稳健算法。 第蕊章提出了单片m p e g 皆频解码芯片的架构，详细讨论了每部分硬件模 3 复旦太学硕士论文 块的实现，并分析了软件的优化设计方法，从算法，软件和架构分析了单片鸯频 解弼芯片的低功耗实现。 第六章从时域和频域分横了单片啬频解码芯片的解鹚结果，勰码秘滚与参考 码流吻合，采用j t c l s c 2 9 ，w g l l 提供的专门用于精度测试的音频码流进行测 试，测试终聚表骥宠全缝合m p e g 者频簿璐瓣壤爱要求，零l 惩s t r a t i xe p l s 8 0 实 现了f p g a 功能验证，并进行了板级验证。 最后辩本文掰开袋豹工 譬进行了总结，对疆精静进一步工作提出了一臻展 望。 4 爱显夫学颈圭谂支 第二章m p e g 音频编解码技术及相关理论 m p e gl a y e r - i i i 是m p e g 音频部分解码最复杂的一层，在设计单片m p e g 音频簿筏芯片数露镞，霭要涉及s o c 技术之l p 菱角援本和软矮臀按因设诗技术。 在本章中，我们首先介绍了m p e g 音频部分编解码的基本弱l 理和技术，然后讨 论了s o c 技术，特别是i p 复用技术和软硬件协同技术。 2 。lm p e g 音频部分 m p e g ( m o v i n gp i c t u r ee x p e r t sg r o u p 运动图像专家小组) 音频文件是m p e g 标准中蛉声音部分，也h qm p e g 裔频层【2 】。 圈2 1 为m p e g 蠢颓数据缡褊靛基本流耧，覆始p c m 鬻颏信号透过滤波器 组，交换到多个子带中：同时声脊信号经过人耳听觉特性建立的心理声学模型， 得到在备个子带所皮占用的比特数，使得在确保一定码流率的前提下，重建声音 售号魏曝燮凄量尽霹憩羧褰。最璐怒凌编强瑟熬数据镀滤捂姣毯徐塞。警鬏数据 解码流糨为它的逆过程。 圈2 1m p e g 膏频数据编鹦瓣基本滚程 它搬据压缩质羹和编码复杂穗液翔分是三麓，即l a y e r - i 、l a y e r - i i 、l a y e r - i i i ， 分别对臌m p l 、m p 2 、m p 3 这三种声音文件，并根据不同的用途，使用不同层 次的编码。 m p l 最为麓擎，镬焉懿跑褥察3 8 4 k b s ，囊要蔼于数字小专窿d c c 0 3 i g i t a l c o m p a c tc a s s e t t e ) 。m p 2 的复杂魔属于中等，使用的比特率1 9 2 k b s 左右。其应 用包括：数字广播( d i g i t a la u t ob r o a d c a s t i n g ) 的音频编码，c d - - r o m 上的音频 信号以及交互式c d - - i ( c d - - i n t e r a c t i v e ) 。m p 3 啜戈复杂，懿啻厦最佳，键蠲静 毙特率为6 4 k b s ，梵其适用于综会垃务数据i 嘲( i s d n ) 主静音频传输。m p e g 音 频编码的层次越高，编码器越复杂，压缩率也越高，m p l 和m p 2 的压缩举分别 为4 ：l 和6 ：l 8 ：l ，而m p 3 的雁缩率则高达1 0 ：1 1 2 ：l ，甚至9 6 ：1 ，也 藏是说，一分镑c d 裔蒺豹音笨，来经歪缭需簧1 0 m b 鹣存耱塞凌，蔼经过m p 3 压缩编码后只有1 m b 左右。不过m p 3 对音频储号采用的是肖损压缩方式，为了 笺曩失学颈圭论文 降低声裔失真度，m p 3 采取了“感窗编码技术”，即编码时先对音频文件进行频谱 分毒曩，然爱用过滤器滤簿噪音电平，接羞透过爨优戆方式将糕下的每一位露数撵 列，最藤形成具有鞍离压缩比的m p 3 文件，并使压缩届鹃文件在翻敖时熊够达 到比较接近原音源的声音效果。去除节目源中人耳昕觉阈以外的所有信号，并将 大信号掩盖下的小信母也加以除去，因为人耳舆肖掩盖效应，这种变化基本上觉 察不蠢采，这群实黪避录匏信意鬓藏魄匿缀蔚小褥多，虽然它楚一静骞搂攥壤方 式，但它以极小的声街失真换来较高的压缩比，因此得以在因特网上广泛传播。 i s 0 1 1 1 7 2 3 音频层i i i 的标准( m p 3 ) 综合了m u s i c a m ( 掩蔽型通用子带 综合编秘襄复嗣) 算法和a s p e c ( 叁逶瘟谱分褫瞬觉熵绽鼹) 算法戆优势。考 虑至编襁解码的复杂发和延时以及编码质量等函索，改进了心理声学模型，采用 了正交镜像滤波器组( q m f ，q u a d r a t u r em i r r o rf i l t e r ) 把音频信号划分成3 2 个 等宽子带，同时剥髑满足时域混叠消除( t d a c ，t i m ed o m m na l i a s i n g c a n c e l l a t i o n ) 静离教衾弦交换( 务e 彳) 进嚣交换域编玛。为了充分裁爱a 霉豹 心理声学模型，达到更好的压缩比和音质，m p 3 在编码解粥以及音频数据帧组 织过程中采用了诸如声道欧和技术、自适应比特分配技术、融适应窗切换技术、 菲委麓豢凭、薅编鹦、戮及变速率绫褥麴 e 特邀缓淬技术。鞠对于m p i 、m p 2 丽言，加大了计算复杂度，僵获得了更低的码鞲和更好的羹建音质。 2 1 。l 码流格式 在m p l 、m 戮冀法戆嚷疆式审，头痿崽穰溺，包含tm u s i c a m 褥流怨 码所必需的音频源信母的采样频率，编码器的朦号，目标比特率，以及是荫使用 了联合立体声编码等信息。 m p i 算法懿帧榛式如下表艨涿。一姣是受3 8 4 个样篷缀编码褥到，羧绩梅 包含下掰6 个部分：帧头( h e a d e r ) ，c r c 校输，院特分配( b i t a l l o c a t i o n ) ，比 例因子( s c a l e f a c t o r s ) ，子带样值( s u b b a n ds a m p l e ) 和附属数据( a n c i l l a r yd a t a ) 。 i 帧头 c r c i 位分配i 比例因子i 样值数据l 附属数据l 表2 。2 醚p l 算法憨筷穆式 m p 2 算法的帧格式如下表所永。一帧含有1 1 5 2 个音频梯值，归一化因子信 息分为两部分，第部分是归一化因子选择信息( s c f s i ) ，各予带包含的3 个归 一豫嚣予菸不都传，传足令| 三 及健哪令就由归一促因子选择傣怠来确定，繁二部 分传输朔一化因子。m p 2 对院特分配信息进行了压缩，不像m p l 每个予鞯占霄 4 比特，而是低频予带占用比特数多些，高频子带占用少些。同样的原则述用于 对子攀样值的进一步压缩，3 2 个子带中最高几个予带的样馕被完全丢弃，节省 下豹魄将使人骂较敏懑靛低频嚣内豹样篷量纯爨糖缨。这些臻蘸霹浚营慕藩常大 的好处。因为基本框架与m p l 相同，故复杂度增加不多，假编码效果却肖不小 6 复巨大学硕士论文 的改善。 袭2 3 m p 2 算法的帧格式 m p l ，m p 2 帧结构的最大特点怒每一帧信息都是一个独立的解码单元，可 以髑米完全恢复缡码数据；m p 3 帧缱橡与戴不同，虫予袋用动态比特邀分酝技 术，使得帧的样值数据不完全限制在本帧内，有可能横跨3 个头标帧，从而获 褥定程发夔变逮率绽褥效果。每枣爽弱音频数蕹静起始爱置蠲一个9 鬣瓣数攘搔 针m a i n _ d a t a _ b e g i n 来指示。 m p 3 豹个头标籁可戳分为三帮分：边信息，音貘差鼗菇稻黼满数据。其 中边信息包括有：头标、c r c 、音频边信息。音频数据边信息中有主数据起始指 针，比例因子选择信息，频谱行分区信息，量化增益，自适成窗切换信息，h u f f m a n 表选择信息，以及赢频补偿搀悫等。鼗频主数提出嚣部分组或，是不间绩敖因 子组的缩放因子信息，二是频举行样本的h u f f m a n 编码数据，具体结构示意图如 下： 圈2 ，2 m p 3 的头标顿 头标h e a d e r 与m p l ，m p 2 存相似的结构。帧头占3 2 个比特，包食同步字， 算法标志，层标，保护位，比特率索引，采样频率，填充位，私有标志，声邋模 式，模式扩震售惑，版投，拷灵掭恚，殴及颚魏耋类型等系统壤惠。 音频边信息头有1 7 字节( 单声邋模式) 或3 2 个字节( 其锻模式) 。音频边 信惑包含褶关蔽解弱静关键数掰。它蓉先传送9 位主数据麓始捂锌 m a i nd a t ab e g i n ；接着怒4 个缩放因子组的缩放因予选择信息s c f s i ；为了便予计 算下一帧主数据开始位鬣，m p 3 也于巴h u f f m a n 代俩记住，数据总长度厢一个1 2 使懿字段p a r t 23坦织农夸频迭信息中。对予全部频率露样本，按放l氐频_tength 到高频分成3 个区域，不同的区域用不同的h u f f m a n 代码编码。如果采用短分析 密，燹频率行静大篷b i g速被遴一步缨分为3个基壤，鬓骞这些都分嚣落_value 息及相应的h u f f r n a n 编阑表选择信息椰需要在编码位流中给出，对于某一组音频 样本，m p 3 编码时可能会用劐长窗，短鬻，或者长短滟台窗，窗翻挨信惠用 w i n d o w _ s w i t c h i n g _ f l a g 标志，m i x e d _ b l o c kf l a g 标识以及分拆鬻类型b l o c k _ t y p e 来标明。所有非正规量化器的擞化信息，短窗量化修正倍息以及频谱预修正信息 都焱音频逮痿息中绘是。 复旦夫学硕士论文 音频主数据m a i n _ d a t a 传送两类信息，为缩放因子，二为频率行h u f f m a n 代码。缩放因子的传送依当前所用分析窗不同而不同。其体办法是，如果不使用 短纛，那么在主数据流中为2 1 个缩放因子缀分别传送2 1 个缩放鼹予，始暴键怒 了短窗，当m a x e d _ b l o c k _ f l a g = 0 ，即全部3 2 个子带都用当前块类型b l o c k 蛳e 撂定戆塞( 短窟) 迸嚣变换露，为1 2 令予豢( 0 1 ) 蛰送壤教因子镶意；黧莱 3 2 个子带中前两个子带用长窗，其余都用缎窗，则为缩放因子带( o 7 ) 传送8 个臻赦透予，并为缩放瓣予带( 3 1 1 ) 传送9 个翁放困予。h u f f m a n 代筠区对被 编码的5 7 6 个频率行数据分区传送，即先传送b i g值区，然厝传values c o u n t l 值区，最衙传o 俊区。 2 1 2 编解码壤论和技术 2 。l 。2 。l 予带编码 临界频带是编码中予带划分的心理声学依据。人耳对音频信号的分析以临界 频繁力基磷，类钕一个等宽瓣子带滤渡嚣缀。予带编磷歪是凳了剩麓魏特浚两 设计的。 子带编码在频域上罨求压缩豹途径。它采用带通滤渡器组愁断觉藏丽肉的信 号( 2 0 - 2 0 k h z ) 割裂成很多予辩，通过等效于单边带调幅的调制过稷，姆器子 带搬移到零频率附近以得到低通表示后，荐以奈奎斯特速率对备子带输出取样， 蒡对取样倦进行邋掌戆数字缡强，簿褥蠛分别对各予豢进行解璐、走援嚣秀邀滤 波，重建声音信母，这种方法通过对予带信号高效量化和编码来获得编码增髓， 宽特分配檄裙心瑷声学模型工作，量纯因子将 睾为透带倍感传遴，藤予辩码器恢 复量化阶。 把语酱信号分成若干子带进行编码主要有3 个优点。首先。由于声音频谱的 菲乎坦性，如果怼不同的子带会理地分配 e 特数，就可能分别控制各子赘的爨化 电平数目以及相成的重建信号的量化误差方蒺值，使误蓑谱的形状适成人耳昕觉 特魏，获褥更好黔圭凌褥音震爨。由于语音的基戮靼共强漳主鼗集中在低频羧， 他们要求保存比较高的精度，所以对低频段的子带可以用较多的比特数来表示其 祥髓，丽商频段可良分鼯眈较少的魄特。其次，调稍不同予带的磁特簸值，就控 制了总的冀建误麓频谱形状，遴一步与声学心理生理模型结合，即可将噪声谱按 人耳嗓声感知特性来形成，于怒在入的昕觉掩蔽特性下，可以节省大量韵比特数。 最鬣，各予豢走豹量纯噪声相嚣阗独立，被寐缚褒塞己辫子豢魂，这榉裁毙避兔 输入电平较低的予带信号被其它的子带的量化噪声所淹没。 2 1 2 2 改逡离敖余弦交捩( m d e t ) m p 3 采用多相m d c t 混食滤波器组，以提高频率分辨率，增加编码增益。 把屡一、屡二使用的多项滤波器组的每路输出馈送剡1 8 储号的m d c t 滤波器缵， 美羹大学矮圣逢文 产生5 7 6 祭频率线。邀对处理稳态信号能获得强大的编码增熬。使用混合滤波器 蕴戆哭个磐楚楚：一量把多提滤波嚣缝戆羧爨透过m d c t 遽多绥分麓，裁 可佟秘斑处理班减少多襁滤波器缀带来的频率滋藏。必要辩，m d c t 滤波嚣缰 能切换劐低的频率分辨率和高的时间分辨率，以溅少前嘲声。为了保证时域混叠 消除的特瞧，m d c t 晌凝搴线必缳淹4 鳃锵数，掰酸采耀3 1 的密韬换长波。 歪蹩交予瀛合滤波器缀戆篌麓，每赖1 1 5 2 令霹域榉熹簸翔努藏两令5 7 6 榉煮戆 鬏羧分剃撩行缡褥。 2 1 2 3 自适应窗切换 在爨羧编码巾，蝣域塞长发( 帮避蠛竣长 戆选择受露个糖匿矛矮翁瓣素魏 京8 约。鬻藩数越长，编码增益遮离 嚣遭长爨霹聪数又会毽辩城分攀察下姆，。 产生严激的“前阐声”。解决前回声的方法足缩燧帧长，以提掰时域分辨攀，这 榉嫠基筘靛影确就羧激镲在一个鞍缀靛靖鬻巍。滏犊长缵短嬲2 m s 戮5 m s 辩， 峦予蔫掩蔽效应，毒誊耀声嚣孽会薇隧之疆寒静跨蠢晦应所掩蔽。痰予装长靛戆撵受 秀令毽繁激穰，酃么焱好办法建采麓自适应赖我。声音信号沈较早稳时，取较小 的帧长，剁用前掩蔽效皮最大限縻地减少前回声的影响。 m p 3 壤题心壤声学烧驱动豹鬻弱锈援羧零避蟹蓠基声控溅。在爱蠹渣凌下， 窑爨长艘楚3 6 ( m d c t 熬重叠因予为2 ) ，蠢遂鬻长度菇1 2 。黧暴售号惫食肖狰 击或类似的时域攀件，将导致w 听见的前回声。避免前回声的种方法是动态地 竣交窗掰澎捷，窀基予这撵数舔骥；m d c t 频域鼹取襻孳i 怒懿混叠被隈潮农蜜 蜀豁一半巾。 长露用予稳态倍号韵燕常谢鞠类童 拜始璨为了在长留和短窟之阁切换，使用这秘混合整。窀的左边秘长鬻类 型戆发逸鸯穗羁麴形状。塞速蕊l 培长度魏耩发楚l ：1 3 弱麓塞瓣悫遗爨蠢秘嚣 豹形状；蒸余戆l 路鼹0 。嚣魏，舄瑟瑟夔餐塞帮分垂叠霹僳滚滠叠抵港。 短窗短窗基本上和长窗具谢相同的形状，只是长度怒帐窗的l 3 。他跟 随着一个1 1 3 m d c t 。穗4 8 k i - i z 懿敬榉簇率氍，辩阚努黧睾壤强隽4 m s 。纛邋窑 情减下，混合滤波器缀鹣频率分辨率怒1 9 2 线，黼正霉纛爨颓察努辨率楚5 7 6 线。 结窳密这莘孛类型的蜜把短掰切换匿羹常窳。其形状与舞始塞镜像。 2 ，l 。2 。4 笼耨涟缓渖 m p 3 蕊惩了名必魄特洼静缓；率按零渡逡一疹撼离第三麓溺除蓊霾声蠡罄藏力。 由于比特池缓冲技术的威用，第三屡编码一帧的拳辫数据般都不是从该蜮内开 始，露蔻雀囊该骥边搂惑孛翡m a i n _ d a t a _ b e g i n 摆铃给密瓣攘慰鞍嚣步字驻蔫戆 经饕懿嚣婊。该指针麓予决定一颊魏奎数据的繁一毖特匏健鬟，窀把边绩惑霸主 叠 复旦大学硕士论文 数据分离开来，从而使主数据不再局限于一帧之内，有效地控制比特池的使用， 可戳起蓟翻适应帧长鹃作用。皖特池技术的使用使得变b e 特率编码在恒速率倍道 上褥以实现。m a i n _ d a t a _ b e g i n 由9e e 特无符号数缌成，它的傻绘出该帧主数据 流升始相对帧同步字的负偏移字节数。比特池改变了每帧的可用比特数为常数的 骣裁。焉爨绕一个对闯熊平均壤( 基标 l 特窭) 交铯。为了逶应援定毙特率售暹， 规定了实际比特率偏移目标比特率的最大积累值。该积累值总怒负的，即不允许 实辩 特率超过鞴标t 特率。表现在彼特流结构上，静一峻酌主数据胃馥乖j 掰前 面帧节省下的比特，但是不能预支后丽帧的可用比特。最大比特率积累偏移的计 算方法如下： 解码嚣输入缓冲区的长度舰定为1 6 0 k b p 每声道( 最大e e 特率) 是一梭鲍长 度。以4 8 k h z 抽样率为例，帧长为( 3 2 0 0 0 0 4 8 0 0 0 ) 4 1 1 5 2 = 7 6 8 0 比特。因此在 这令抽样奉窥毙特率，实际蛟长必绥为拳数，即m a i nd a t ab e g i n = 0 。在4 8 k h z ， 每声道6 4 k b p s 情况下，每颗粒的平均长度为( 6 4 0 0 0 4 8 0 0 0 ) * 5 7 6 = 7 6 8 比特。因 魏麸解弼器输入缓狰容鬃的受度，允许的最大阮特率累积偏离为 7 6 8 0 4 * 7 6 8 = 4 6 0 8 。但是m a i nd a t ab e g i n 只有9b b 特，即最大支持2 9 * 8 = 4 0 9 6 比特的累积偏离。这个值即为实际允许的比特偏移。 2 。l ，2 5 联合立馋声 多声邋的目的是再现原始的空间感，涉及声音的定位问题。对于大约4 k h z 班主翁高叛绩号，久霉哭筏感受裂露蠛波形豹惫终，秀耳潮声誊信号毯络豹辩筵 和擞察到的频率相应决定了人耳感受到声音的方向性。也就是说，人耳对高频信 号方向的定位与矮体的信号波形无关。另井，入耳也无法分辨奁频率上非常撩近 的备个高频声音傣号的方向。在耦合技术中利用此特性，把多个声道信号的赢频 部分耦合到一起，形成一个耦台声道，以达到压缩编码的目的，并且对重建衙立 棼声定霞效粱没蠢影蛹。 m p 3 音频系统包含两种立体声技术：m s 立体声编码和强度立体声编码。 两释立体声编鹃方法鄂酉瑷有选耩遗结合起来健弱，瑷遥应不丽静频霉区域。逶 当地利用m s 立体声编码，强度立体声编码和l r ( 独立) 编码。在解决噪声声 象问题时，可避免由于两耳掩蔽电平降低所g 起的代价巨大的过爨编粥并且缎常 够显著她降低数据辜。 2 2s o c ( s y s t e mo nc h i p ，片上系统) 技术 在设计单片m p e g 啻频勰疆芯片靛时捩，贯雾了s o c 技术，特裂是s o c 技术之i p 复用技术和软硬件协同设计技术。 现代集成电貉熹l 遥工艺豹菠进，傻得在一个芯片上集成凡商万鞋上豹逻辑门 1 0 复旦太学硕士论文 成为可能但如此大规模的电路设计怒不可能由一个或几个设计工程师来完成而 不出错。利用结构他，鼷次他的设计方法，个大型的数字电路设计酋先根据设 计舱目标规范化分为若予个较小的功能模块，分别交盘不阕的设计工稳爆进纷设 计。这就允许多个设计者同时设计一个系统中的不同模块，且底层的设计可阻用 英上次层豹行隽级设计寒进行佬冀窥验疆。这耱就穗爻鑫颈藏下 ( 1 0 p d o w n ) 的设计方法。如下图所示： 圈2 3 自顼向下的设计方法 壹读怒下静设诗方法静蔗蠢设计步骤：篱先需簧遗暂行荛缀设计，簧确定该 v l s i 芯片的功能、性能及允许的芯片面积和成本等。接蒋进行结构设计，根据 芯片的特点，将其分解为接口清晰，稍互关系明确，尽可能简单的予系统，褥到 一总体结构。这嵇结构w # 包撼毒算术运算单元，控制单元，数据通遂，冬种雾 法状态机等。下一步是把结构转换成逻辑图，即进行逻辑设计。显然，同一功能 凌霹鼓由多耱逻毒馨设计翔鼓实瑷。 在这部中，希望尽可能采用规则结构来实现和利用已经过考验的逻辑单冗 或模块。接着避行电路设计，逻辑图将迸一步转挨成电路瑟。农缀多稽况下，这 是纛器进行硬件仿真的，以最终确定逻辑设计的正确性。最后是将电路图转换成 版图，进彳亍版图设计。翻顶向下的设计从系统级开始。将穗个系统划分成为几个 较小摸块，然磊这些模块又分裂缨分为更小麴模块，壹到霹潋周基本嚣搏来实现 为止。这种设计方法的优点在于每一屡的分解全经过优化，优化的目标可能是工 律遥度、蕊片嚣截、芯片成本域它稍黪缀合，毽每次翅殄菇不考虑分掰器褥戮骨 么样的单元，以及得到的单元是否是已经存在的单元。 自底向上的正向设计是在系统划分和分解的基础上先进行单元设计，在翠元 犍心设计菇霉进抒功l 块，子系统设计以至到