（电工理论与新技术专业论文）heaac音频解码器fpga原型芯片设计.pdf

f p g a p r o t o t y p ed e s i g no fh e a a ca u d i od e c o d e r a b s t r a c t h i g he f f i c i e n c ya d v a n c e da u d i oc o d i n g ( h e a a c ) f o rm p e g 4i so n eo ft h e s t a t e - o f - t h e a r ta u d i oc o d i n gs t a n d a r d ，w h i c hc a nd e l i v e rb e t t e ra u d i o q u a l i t y , h i g h e rc o m p r e s s i o nr a t e s ，m o r ec h a n n e l sa n dv a r i e t i e so fs a m p l i n gr a t e s a n di th a s b e e na d o p t e db yt h es t a n d a r d i z e dd i g i t a lr a d i om o n d i a l e ( d r m ) s y s t e ma n dt h e 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ( 3 g p p ) t h i s p a p e rf o c u s e so nt h eo p t i m i z a t i o n o fm p e g 4h e - a a cd e c o d e rf r o ma l g o r i t h mt os y s t e ma r c h i t e c t u r e ，f r o mc i r c u i t d e s i g nt of p g ap r o t o t y p ee m u l a t i o n t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i si sa sf o l l o w s ： ( 1 ) o p t i m i z i n gt h em p e g 一4h e - a a cd e c o d i n ga l g o r i t h m s t h e2 0 4 8 p o i n t i m d c t a l t g o r i t h mh a sb e e nt r a n s f o r m e di n t o2 5 6 p o i n ti f f to r6 4 p o i n t i f f t a n dt h e10 2 4 一p o i n tq m fh a sb e e nt r a n s f o r m e di n t o 6 4 p o i n t d c t - i v , w h i c hr e d u c e st h em u l t i p l ye y e sb y8 5 9 a n da d d e rc y c l e sb y 1 0 4 1 ( 2 ) o p t i m i z i n gt h es y s t e ma r c h i t e c t u r e ag l o b a l s e r i a ll o c a l p i p e l i n e t e c h n o l o g yi su s e dt oo p t i m i z a eb o t ha r e aa n ds p e e do ft h eh e a a c d e c o d e r t h et r a d e - o f f sb e t w e e nt h es p e e da n da r e ah a v eb e e ns t u d i e d p i p e l i n ec i r c u i t sa r eo n l yd e s i g n e db e t w e e nt h en o i s e l e s sd e c o d e ra n d i n v e r s eq u a n t i f i e r ，a sw e l la sb e t w e e nt e m p o r a ln o i s es h a p i n g ( t n s ) a n d f i l t e r b a n km o d u l e s t h r o u g ht h i st e c h n i q u e ，o p t i m i z e dd e c o d i n gs p e e d h a sb e e ba c h i e v e dw i t hl e s sr e s o u r c e c o n s u m p t i o n o t h e r w i s e ，t h r e e c o n t r o lm e t h o d sa r eu s e dt oi m p l e m e n tt h ea r c h i t e c t u r e ( 3 ) o p t i m i z i n gh e - a a ch a r d w a r ec i r c u i ta n dp r o t o t y p e h a r d w a r e - p a r a l l e l i m p l e m e n tm e t h o di s u s e di nt h eh u f f m a nd e c o d e r ，b yw h i c ht h e h u f f m a nt a b l e sa r ei m p l e m e n t e d b yc o m b i n a t i o n a ll o g i c b e c a u s e h u f f m a nc o d i n gi sae x - c o d i n gm e t h o d ，s ot h ef i r s t z e r ol o g i cc a nb e u s e dt or e d u c et h er e s o u r c ec o s t i m d c tm o d u l ei si m p l e m e n t e db y i f f t , w h i l ea q m fa n ds q m fm o d u l e sa r ei m p l e m e n t e db ys h a r i n g d c t - i vm o d u l e ，w i t hr e c o u r s ec o s ts a v i n g so ft h ea l u t2 9 4 t h e m e m e r o y3 3 3 ，a n dt h er e g i s t e r2 7 8 i nb i t s t r e a ma n a l y z e rm o d u l e ， t w ob a r r e ls h i f l e r sa r eu s e dt oi np i n g - p a n ga c c e s s i n gm o d e l ，w h i c hh a s g r e a t l yr e d u c e dt h em e m o r ya c c e s s i n gt i m e k e yw o r d s ：h e a a ca u d i od e c o d e r ；f p g ad e s i g n ；s y s t e m a t i cd e s i g n ；r t ld e s i g n i i i 插图清单 图1 1h e a a c 编解码流程图2 图1 2a a cl c 框架解码流程图3 图1 3 经过a a c 解出的低频信号4 图1 4s b r 重建和修正高频信号4 图1 5s b r 解码器的数据流框图5 图2 1h e a a c 音频解码简易框图9 图2 2h e a a c 解码流程图1 0 图2 3s b r 解码语法单元的码流结构1 1 图2 - 4 未被整形和时域噪声整形前后对照1 3 图2 5d i t - i f f t 变换伪码1 7 图2 6s b r 解码语法单元的码流结构1 8 图2 - 7a q m f 的解码流程图( h qs b r ) 一2 0 图2 8a q m f 算法转化示意图2 1 图2 - 9s q m f 滤波器的处理流程2 6 图2 1 0s q m f 算法转化示意图2 6 图2 11s q m f 算法转化示意图2 2 7 图3 1h e a a c 解码器系统架构图3 0 图3 2 立体声数据局部流水处理步骤“3 1 图3 3 访存控制逻辑3 2 图3 4 模块接口控制逻辑3 3 图3 5 控制逻辑电路部分子逻辑3 3 图4 1 原型芯片的整体结构3 4 图4 2h e a a c 解码器原型结构3 5 图4 3 码流格式器结构3 5 图4 4 移位寄存器结构图3 6 图4 5c p ee l e m e n t 的码流分解流程图3 7 图4 6i m d c t 结构示意图3 8 图4 7 长块处理结构图3 9 图4 8 短块处理结构图3 9 图4 9p r e i f f t 数据流图4 0 图4 1 0i f f t 模块的数据流图4 0 图4 1 1 蝶形结的硬件实现结构图4 1 图4 1 2s b r 解码器在h ea a c 中的位置及其具体结构4 2 图4 13h u f f m a n 码表1 a 4 4 3 图4 1 4h u f f m a n 码表1 a 4 的硬件实现图4 4 v i l 图4 1 5a q m f 模块比例因子处理部分流程图4 5 图4 1 6s q m f 模块比例因子处理部分流程图4 6 图4 1 7q m f 滤波器组的硬件结构图4 6 图4 1 8d c t - i v 模块内部结构图4 7 图4 1 9p r ed c t 模块的状态机图4 8 图4 2 0f f t 运算模块的主要硬件结构4 8 图4 2 1f f t 模块状态转移图4 9 图4 2 2p o s td c t 模块三级流水结构5 0 图4 2 3h fg e n e r a t i o n 模块的模块结构5 0 图4 - 2 4c a l c c h i r p f a c t o r s 运算部分硬件结构_ 5 2 图4 2 5p a t c hc o n s t 模块流程图5 2 图4 2 6p a t c hc o n s t 状态图5 3 图4 2 7a u t oc o r r e l a t i o n 模块部分运算过程c 描述5 4 图4 2 8a u t oc o r r e l a t i o n 模块硬件结构5 4 图4 2 9c o r em o d u l e 模块硬件结构5 5 图4 3 0c o r em o d u l ec o n t r o l l e r 部分时序图5 5 图4 31m a pn o i s ed a t a 状态控制流图5 6 图4 3 2m a ps i n u s o i d s 模块运算流程图5 7 图4 3 3e s t i m a t ec u re n v e l o p 硬件结构图5 7 图4 3 4c a c u l a t eg a i n 模块硬件结构图5 8 图4 3 5h fa s s e m b l y 模块运算流程图5 8 图4 3 6 高频滤波硬件结构图5 8 图5 1d c t - i v 功能仿真验证平台6 l 图5 2 算法优化前后软件数据对比图6 1 图5 3 硬件仿真结果6 2 图5 - 4 仿真波形6 2 图5 5a q m f 滤波器模块验证平台结构图6 4 图5 6a q m ff p g a 综合结果6 4 图5 7 系统的f p g a 原型验证平台6 5 v i i i 表格清单 表2 1 时域抽取算法重排序规律16 表2 2e x t e n s i o n的取值列表18type 表2 3 内嵌的s b re x t e n s i o nd a t a 的语法结构列表1 9 表2 - 4q m f 模块算法优化性能对比2 7 表4 1 移位寄存器资源优化对比3 6 表4 2e x t e n s i o n 的取值情况42type 表4 3n e w b w 的取值列表51 表5 1h e a a c 各模块运行时钟周期数列表：6 3 表5 2q m f 滤波器性能参数列表6 6 表5 3f p g a 消耗资源参数报告6 6 表5 - 4 各模块资源参数列表6 7 i x 独创性声明 本人卢明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰弓过的研究成果，也不包含为获得 金月坠王些厶堂 或其他教育机构的学位或 i 止i5 而使川过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学僦文作者虢必彬 签字嗍仲年年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权金目墨工些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 川影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二譬) 神名：痧帮 签字日期：仙i o 年够月伽日 学何论文作者毕业后去向： i ：作单位： 通讯地i t ： 3 、：f ) 导师签名： 1 一、 签字日期：协t o 年妒月日 电话： 邮编： 致谢 本论文在选题和研究过程中受到高明伦教授的悉心指导。高老师不仅学识 渊博、治学严谨，而且待人诚恳，平易近人。高老师不仅授我以文，而且教我 做人。他具有对科学严谨认真的态度和高尚的品德，是我学习的榜样。这两年 多来从高老师那里学到的知识必将使我终身受益。衷心感谢导师的培养、支持 和教诲! 两年多来，老师们不仅在学业上给予我精心的指导，而且在思想、生 活方面给予我无微不至的关怀，在此谨向他们致以诚挚的谢意和崇高的敬意! 本论文的研究工作受到以下项目的资助：( 1 ) 8 6 3 计划“基于n o c 的片上 多处理器系统结构及实现方法研究”( 项目编号：2 0 0 8 a a 0 l z l 3 5 ) ；( 2 ) 安徽省自 然科学基金资助项目“可重构m p s o c 体系结构关键技术研究( 项目编号： 0 9 0 4 1 2 0 2 9 ) ，在此表示感谢! 感谢合肥工业大学微电子设计研究所杜高明老师在大论文及小论文的写 作中耐心的指导与修改! 感谢张多利老师、宋宇鲲老师和耿罗锋博士在工作中的热情帮助! 感谢n o c 项目组师兄师姐杜福慧、王白露、张云、翟元杰、付强所给予 的指导和帮助! 感谢n o c 项目组温海华、陈迎春、吴腊狗、于亚轩、胡学权、何莹莹、 覃春平在学习和生活上给我的帮助和支持! 感谢我的男友马亮给我的支持与鼓励! 感谢林微老师和贾靖华老师在学习和生活上给予的支持和帮助! 感谢微电子设计研究所全体成员，正是由于你们在学习和生活上的的帮助 和支持，我才能克服一切困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 特别感谢我的父母，你们不但赐予我生命，并在任何艰难的时候都支持着 我，鼓励着我，没有你们的支持，就没有我的学业和所有，也不会有这篇论文 的存在。 感谢文中引用过文献的所有作者们，感谢所有关心、支持和帮助过我的老 师、同学和朋友! i v 黄俊俏 2 0 1 0 年3 月 第一章绪论 1 1研究背景及意义 数字技术的出现与应用为人类带来了深远的影响，人们现在已生活在一个 数字化的世界中，在诸多数字技术中，数字音频技术是应用最为广泛的数字技 术之一【1 1 。目前，世界各国都在努力实现高清晰数字电视以及数字广播的普及 化，中国也是其中最为积极的国家之一。而基于地面或卫星的数字电视系统和 数字广播系统所能提供的带宽是非常有限的，因此，实现音频信号大量压缩的 前提下又能保持高质量音质的编码技术将会得到普遍应用。音频信号减少对带 宽的占用率，也可以推动视频质量的提高，这对推动数字电视音视频的质量都 非常有利。 为了在高音质前提下提高音频信号的压缩率，1 9 8 8 年，国际标准化组织 i s o ( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so r g a n i z a t i o n ) 与国际电子委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a l e l e e t r o t e e h n i c a lc o m m i s s i o n ) 联合成立了运动图像专家组m p e g ( m o v i n gp i c t u r e s e x p e r t sg r o u p ) 2 1 ，研究运动图像以及音频编码的标准化，它广纳了视频、音频 以及系统领域的专家，研究和制定音视频编码标准。m p e g 研究和采纳变换编 码技术、子带编码技术以及感知编码技术等数据压缩技术1 3 】，先后提出了多种 音频标准，如m p e g 1 的l a y e ri 、i i 、i i i t 4 1 ，m p e g 2 的l a y e ri 、i i ，以及m p e g 一2 p 1 和m p e g 4a a c ( a d v a n c e da u d i oc o d i n g ) t 6 1 。这些标准中的编码方法已经可以满 足现今大部分的市场需要，如在许久前疯行，现在仍然占很大市场的m p 3 编码 技术，以及比m p 3 编码技术压缩率可提高3 0 的a a c 编码技术【4 j 。 m p 3 编码技术和a a c 编码技术都是感知音频编码技术【_ 7 1 ，感知音频编码 技术为音频编码技术的革新做出了巨大贡献，也是近年来最为普遍应用的音频 编码技术，但是，在带宽有限而数字多媒体和数字广播服务业务量日益增多、 质量要求日益提高的今天，单纯的感知编码方法已经无法满足音频压缩的技术 需要。更高的服务品质要求音频编码器的更低的比特率和更好的音质。而感知 音频编解码器在1 2 8 k p b s 以下的数据率的编码质量便开始大幅度下降p j 。 基于以上数字音频发展情况，m p e g 组织在2 0 0 3 年提出了h e a a c ( h i g h e f f i c i e n c ya d v a n c e da u d i oc o d i n g ) 标准捧j 。h e a a c 标准在l ca a c ( l o w c o m p l e x i t ya a c ) 编码算法的基础之上增加了频谱复制( s p e c t r a lb a n d r e p l i c a t i o n ，s b r ) 【9 】【1 0 j 技术而扩展出的数字音频压缩标准。在h e a a c 编解码 技术中，m p e g 4a a c 是核心编码器，m p e g 4s b r 频带扩展工具，它与核心 编码器联合工作，用于拓展音频带宽，可以使音频编码器以一半的比特率传送 同等质量的音频信号。h e a a c 是一种在高音质情况下压缩率很高的音频编码， 比a a c 的编码效率提高至少3 0 ，在4 8k b i t s 的码率下就可以提供高品质立 体声音频【1 1 】【12 1 。 h e a a c 的特点【l 】【1 1 】： 码率为2 4 k b p s 时便可实现c d 效果的立体声音质 采用了最先进的音频编解码技术a a c 以及最新频带扩展技术s b r 同等音质下压缩率是a a c 的至少7 0 已被d r m ( d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ) ，d a b ( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ) ， 3 g p p , 3 g p p 2 采纳【1 4 】 由于h e a a c 的高效性以及高压缩率，现在各种设备和网络协议已经开始 使用h e a a c 为音频压缩标准。在数字电视、数字广播等领域，h e a a c 将发 挥重要的作用，并且移动电话、p d a 等手持设备都出现了内嵌h e a a c 解码功 能的需求。由于各种需求对h e a a c 解码器功耗、面积、速度方面的要求，设 计的硬件化越来越被人们所关注，研究h e a a c 解码器实现的各优化算法和硬 件实现方法也具有重要的现实意义。本文以h e a a c 音频解码算法为研究对象， 优化相关算法并设计硬件电路，在保证功能正确以及解码实时性的前提下，以 减少电路面积为设计原则设计h e a a c 硬件解码器的f p g a 原型芯片。 1 2h e a a c 音频编解码关键技术 h e a a c 编解码流程图如图1 1 所示。如图可知关键技术包括先进音频编 解码技术1 5 l ( a d v a n c e da u d i oc o d i n g ，简称a a c ) 、频带复制技术1 6 ( s p e c t r a l b a n dr e p l i c a t i o n ，简称s b r ) 。 s b r d a t a 码流 s b r d a t a 图1 1h e 。a a c 编解码流程图 1 2 1a a c 音频编解码技术 a a c 音频编解码技术是h e a a c 编解码技术的基础，它负责音频信号中的 低频段数据的编解码。 a a c 音频编码技术是一种感知音频编码方法，它利用人耳的“掩蔽效应， 通过心理声学模型分析音频信号的能量成分，并从音频信号中找到听觉上可被 2 其他声音掩盖的成分，减少数据量，然后开始数据压缩【5 1 。 a a c 编解码所应用到的技术有：无噪声编解码( h u f f f m a n 编解码) ，m d c t 变换编码，自适应窗选择，频谱系数预测，时域噪声整形等，编解码过程如下 所述。 首先是通过滤波器组将时域里的p c m 信号分解成亚取样频谱分量，变为 频域信号，利用心理声学模型计算各予带的现实的掩蔽阀，根据频谱声级和掩 蔽阀得到信号掩蔽比，并据此决定量化参数，量化产生的噪声应处于各子频带 的同听阀以下。在滤波器组之后，时域噪声整形( t n s ) 对频谱做同址滤波操作， 也可称为帧内预测，用预测残差代替目标频谱系数。t n s 技术【1 7 】可以控制量 化噪声的细微时域结构，利用时域预测模块进一步降低静态信号冗余。t n s 之 后，m p e g 4a a c 提供了一些新的工具来改善编码效率，如感知噪声替代( p n s ) 技术，其原理是当编码器发现类似噪声的信号时，并不编码和传送这些信号， 而是对其标记，并计算出它的总能量，在解码时根据接收到的总能量，由随机 产生的一组信号来替代它，这样就提高了编码效率。a a c 解码是编码的逆过程。 图1 - 2a a cl c 框架解码流程图 m p e g 4a a c 有六个档次，分别为主框架，低复杂度框架，可分级采样率 框架，长期预测框架，低延迟框架，高效率框架【6 1 。在h e a a c 标准中，采用 的是m p e g 4a a c 低复杂度框架，低复杂度框架的解码流程如图1 2 所示。 1 2 2s b r 技术 s b r 技术是h e a a c 编解码技术的灵魂，也是h e a a c 区别于m p e g 4 a a c 的主要部分，它的研究致力于在低频信号的基础上重建高频信号，从而在 编码时只需要编码低频部分的信号，以及高频信号的相关信息，在解码时由s b r 模块重建和还原高频信号。这样就达到了更大限度地压缩码流的目的。 在当今现行的许多基于感知音频编码技术的音频编解码器的性能条件下， 过高的压缩率( 如2 0 ：1 或更高) 会导致音频质量不能令人满意，在这种压缩率 下，由于比特饥饿死( b i t s t a r v a t i o n ) ，心理声学模型要求的在频域内量化噪声必 须保持在掩蔽曲线以下这一条件便无法得到满足，从而会导致量化噪声在解码 以后会被听到i l 。这个问题的解决方法最普遍的一种就是限制音频带宽，但是 音频带宽的限制必然导致诸多频段的音频信息无法听到，这样就希望在非常低 的码率下获得大的音频带宽，这样就注定了s b r 技术的产生。 s b r 技术的基本思想是同一信号的高频特性和它的低频特性有很大的关 联性，通过一个由低频带到高频带的变换可以得到与原来信号高频带很相近的 特性，在变换得到高频带之后，结合谱包络的修正重建高频带【1 2 】【1 8 1 ( 如图1 3 和l - 4 所示) ，这些处理过程由从码流中分解出的原输入信号的高频带谱包络信 息来控制。对于那些只靠变换而无法达到要求的信号，还需要采用一些综合方 法来处理，如反向滤波、加噪和加正弦等，这些综合方法由码流格式器发送的 控制信息来控制【l 引。 图1 3 经过a a c 解出的低频信号 图1 4s b r 重建和修正高频信号 s b r 技术的编解码过程如下所述： 在编码部分，s b r 分析原始的音频输入信号，将其高频的谱包络及与低频 相关的特性编码，形成s b r 数据，与核心的编码数据流多路复用。在解码部 4 分，s b r 数据首先被分离解码，解码过程分为两个部分，第一部分，核心解码 器( 这里是a a cl c ) 解出低频带信号；第二部分，以s b r 解码作为后处理操作， 将低频带信号经过分析正交镜像滤波器( a q m f ) 滤波和时频转换，利用解出的 s b r 数据重建高频数据，然后将高频重建后的高频数据施行包络调整和加噪的 操作，完成高频部分信号的完整重建，最后通过综合镜像滤波器组将高低频数 据综合并转换，最终得到全频带的音频输出信号。 s b r 解码器数据流框图如图1 5 所示。 s b rd e c o d e r a q m f a a cc o r e 上 s q m f 卜建h 搠蜘卜 +牟 图1 5s b r 解码器的数据流框图 由于不需要编码高频部分，只编码和传输其包络的信息以及其他关键信息， s b r 在保证完整的输出音频带宽的前提下大大降低了码流量。 在s b r 解码器中，正交镜像滤波器组是非常重要的部分，整个高频重建和 滤波的过程都是在q m f 域中操作的。正交镜像滤波器是一种子带编码，子带 编码是实现频带压缩的一种编码方法。在子带编码中，先把信号分解成若干频 率子带，各个子带或采用共同的低带传送或采用不同的码率传送以实现频带压 缩【1 9 1 。然而实际滤波器在亚采样后会造成子带频谱间的混叠，正交镜像滤波器组 便可以避免这种现象。 1 3h e a a c 音频解码器研究综述 随着h e a a c 解码器应用越来越普遍，要求越来高，越来越多的实现方法 被开发和采纳。当前的解码器实现方案主要以下几种： ( 1 ) 基于r i s c 或d s p 处理器的实现方案【1 9 】【2 0 儿4 们。当前使用的r i s c 处理器主 要有a r m 、m i p s 、n i o s 等。基于r i s c 处理器实现的系统优点在设计 周期短，投入市场快，而且设计易于更新，但是由于h e a a c 解码算法 的复杂性，软件串行的处理模式使得解码速度降低，这就使得设计很 难在低的频率下实现实时解码，而高的频率意味着高的功耗。另外， 由于集成了处理器，解码电路的面积较大，成本较高。 ( 2 ) 基于d s p 结合r i s c 的实现方案。鉴于基于r i s c 处理器的实现方案的速 度缺陷，有人提出了d s p 结合r i s c 的实现方案。它将运算量较大的算 法单元使用d s p 实现，只将码流分解等信息解析的部分使用r i s c 实现。 这样就在速度上较r i s c 处理器有所提升，但是对于处理算法较复杂的 i m d c t 以及q m f 滤波器等模块而言，速度仍然很慢。 ( 3 ) 基于软硬件协同的实现方案【2 1 1 。这是目前比较有效的一种解决速度和 功耗平衡的解决方案，但是软硬件任务的分配以及交互方案决定了系 统的性能，也是制约系统性能的一个因素。 ( 4 ) 基于专用硬件设计的实现方案【2 2 】【2 3 1 。使用a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ，专用的集成电路) 或f p g a ( f i e l d p r og r a m m a b l eg a t e a r r a y ，现场可编程门阵y d ) 针对h e a a c i 拘特点实现h e a a c 解码器。 分析了上述现行的h e a a c 解码器的主要实现方案后，综合考虑技术环境 和资源因素，本文最终决定采用v l s i 专用电路设计设计h e a a c 解码器系统 f p g a 原型，即针对h e a a c 算法设计专用硬件，采用完全硬件的方式实现 h e a a c 解码器，可以大大提高系统的性能，减少资源消耗。从而改善因集成 处理器而带来的问题，实现设计的低功耗和低成本。 在h e a a c 解码器的硬件设计中，许多针对算法和硬件实现的优化方法被 开发或采用，特别对h e a a c 中比较重要的几个部分一一h u f f m a n 解码、i m d c t 变换滤波、q m f 滤波等。各种方法总结如下： ( 1 ) h u f f m a n 解码的实现方法【2 4 】：二叉树串行搜索方法，码表分段存储硬件 串行解码。前一种方法速度较慢，而且串行度较高，比较适合软件解 码实现，而后一种方法虽然是硬件实现，也在码表存储方面做了一定 改进，提高了一定的解码速度，但是存储空间仍然有很大浪费，而且 速度方面仍然有改进的空间。 ( 2 ) i m d c t 的优化方法【2 5 】【2 6 】：文献【2 5 】利用i m d c t 系数的对称性，将 i m d c t 转化为d c t - i i i 和d s t - i i i ，优化了处理速度，但是因为是基于软 件优化，并不适合硬件设计：文献 2 6 提出了使用各类d c t 优化i m d c t 变换的方法，这种方法共同适用于m d c t 和i m d c t ，从而可实现m d c t 和i m d c t 的资源共享。 ( 3 ) q m f 滤波器的优化方法【2 1 】【2 3 】：文献【2 3 】提出了用d c t - i i 和d c t - 1 1 1 分别 优化a q m f 滤波器和s q m f 滤波器的方法，文献【2 l 】提出了使用f f t 共 同优化a q m f 滤波器和s q m f 滤波器的方法。前一种方法没有考虑到资 源共享，尽管优化程度是可观的，但是在资源方面的消耗没有考虑到； 后一种优化设计是基于f f t 的，考虑到了资源共享，却没有考虑到比例 因子处理和q m f 变换两部分可乒乓流水，导致解码速度的提高受限。 总结和分析了h e a a c 解码器的几个主要运算模块的优化和实现方法之 6 后，可知各模块均有改进和优化的空间，本文在这三个部分的算法优化和硬件 实现方面做了一定的工作，取得进展如下： ( 1 ) h u f f m a n 解码实现：采用硬件并行实现，抛弃存储器存储码表的方法， 完全使用组合逻辑实现码表，根据码表的规律使用首0 电路减少组合逻 辑的复杂度和面积。 ( 2 ) i m d c t 的实现：采用i f f t 优化，将2 0 4 8 点的i m d c t 变换转换为2 5 6 或 6 4 点的i f f t 变换，降低了硬件实现的复杂度和处理速度。 ( 3 ) q m f 滤波器的实现：对a q m f 滤波器和s q m f 滤波器共同采用d c t - i v 优化，从而在硬件方面实现资源共享的设计，而且相似比例因子处理 和q m f 变换两部分的结构设计方面，采用乒乓流水设计，进一步提高 处理速度。 除了对各模块算法的优化，为了进一步提高解码器的速度，系统架构方面 也做了相应优化。在系统架构方面摒弃了传统的串行架构方案，采用总体串行 局部流水的架构方案。 由于h e a a c 标准协议中并没有对所有编解码算法有严格的规定，只是规 定了编码后的码流格式，以及定义了编解码的流程和步骤，至于编解码算法的 具体实现方式则可以自由选择，给h e a a c 标准的算法优化和实现留了很大的 余地，因此可以不断地改进编解码算法，从而进一步提高压缩比例和压缩质量。 1 4 本文研究内容以及论文章节安排 本文主要工作是设计h e a a c 音频解码器f p g a 原型芯片，主要研究内容 是深入分析h e a a c 音频解码算法，以硬件实现该算法为目标，提出了h e a a c 音频解码器的系统架构，在深入分析算法的基础上，以硬件设计为考虑前提， 最大程度的优化各运算部分的算法。并在综合考虑速度和面积的基础上完成各 个模块从算法优化到硬件逻辑结构的映射。使用v e r i l o gh d l 硬件描述语言描 述h e a a c 音频解码器的原型芯片，完成r t l 级仿真后把电路综合结果下载 到f p g a 器件，验证并分析设计的性能，并在此基础上改进设计。 论文章节安排如下： 第一章是绪论。通过数字音频技术的发展历程以及现状提出本课题的研究 背景，以及研究意义。并简要介绍了h e a a c 音频编解码技术的关键技术一一 a a c 编码技术以及频带复制技术( s b r ) 。 第二章是算法分析和优化。分析了h e a a c 解码算法的基本原理，研究和 分析其中涉及到的复杂算法，并优化关键模块的算法。 第三章是系统架构的设计。介绍了设计目标以及设计方案，并介绍了系统 架构和控制策略。 第四章是原型芯片的设计。设计h e a a c 原型芯片，描述了各个主要模块 7 的原型芯片设计。在i m d c t 的设计中，利用它的函数对称性，降低算法复杂 度，并转换算法，最终使用易于硬件实现的i f f t 变换优化，并以此为依据实 现硬件设计，在算法复杂度以及硬件处理速度方面得到了很大的优化。在a q m f 以及s q m f 滤波器的设计中，使用相同的变换算法d c t - i v 优化这两个滤波器， 并在硬件设计时实现最大程度的资源共享，从而在很大程度上减少了资源的消 耗。 第五章是原型芯片设计结果与分析。介绍仿真和f p g a 综合方法，并分析 功能验证的结果，以此评估设计的功能性以及系统的性能。 第六章是总结与展望。总结全文，并指出不足之处、提出改进空间。 8 第二章h e a a c 音频解码算法的研究 在设计h e a a c 原型芯片之前，需要分析标准中提出的算法方案，优化各 部分的算法以适合硬件设计，在实现功能的前提下，考虑算法实现的复杂度、 速度，以及映射到硬件以后所占用的资源，同时要顾及到功耗问题。本章介绍 了h e a a c 解码器设计中所涉及的算法，并优化其中的关键模块一一i m d c t 滤波器，a q m f 滤波器以及s q m f 滤波器的算法。 2 1h e a a c 音频解码原理概述 h e a a c 音频解码主要分为两个部分，一个是利用感知原理的核心解码器 ( a a c ) ，另外一个是负责高频重建复制的s b r 解码器部分。如图2 1 所示。a a c 核心解码器解出低频信号，s b r 解码器将输入的低频信号依据比特流分析器解 出的各种相关参数向高频段复制并开始重建工作。 麟獬磷嚣纛雾黟黟习嘲寥繁琴罚躐阑 a u d i o 。麓 8 8 r 茇：钳，。& 。溺隧，。，讲。，成，0 蓊 i n p u t 髟立 p r e p r o c e s s o r鞫e 慧士凇a a c 苣 h a g f 努s b r p p o s t ：i r o c e s s o r d e c o d e r 疑 e n c o d e r ) ， l 鹣霹r ，溺荔一= “一n 铲一，! f d e c o d e r ) 戳溢攀鲨涵鑫溢瀚龟盘i 菇渤菇润盈 s b rs i d ei n f ob i t s t r e a m 图2 - 1h e - a a c 音频解码简易框图 a a c 音频解码包括下列模块( 低复杂度框架) ：比特流格式器、无噪声解码、 反量化、逆比例、m s 立体声、强度立体声、感知噪声替代、时域噪声整形和 滤波器处理模块；s b r 解码器包括下列模块：分析镜像滤波器组，高频重建模 块，高频整形模块，综合镜像滤波器组。如图2 2 所示。 在图2 2 中，比特流格式器分解h e a a c 音频码流，向核心解码器a a c 提供频率线和比例因子的h u f f m a n 码，并解出其余各模块所需的控制信息，同 时分解出s b r 的码流部分，提供给s b r 解码器：无噪解码模块解出在编码中 被编码了的频谱数据和比例因子；反量化逆比例模块反量化处理解出的数据并 加权比例因子，恢复音频频谱数据；m s 立体声和强度立体声模块处理左右两 个声道的数据，以还原立体声效果；感知噪声替代还原编码时被标记的噪声信 号；时域噪声整形处理后的频域信号通过i m d c t 转化为时域信号，这样就完 成了低频部分的解码。 对于高频部分，它是通过s b r 解码器还原的。s b r 参数分析器解出码流中 s b r 模块会用到的相关的参数，并通过h u f f f m a n 解码和反量化还原出原始值； 分析镜像滤波器组( a q m f ) 将低频时域数据通过a q m f 镜像滤波变换到q m f 9 域，因为这里的重建是基于q m f 域的：频域的低频段数据经过高频重建模块 重建出高频段的数据，然后在高频整形模块，高频段数据被调整平滑并加叠加 上必须的噪声信号，使其更接近于原始的高频段。最后通过综合滤波器组整合 高低频的信号，并转化到时域，生成p c m 值。 图2 - 2h