（计算机应用技术专业论文）低功耗mp3解码器设计及其可测性分析.pdf

低功耗m p 3 解码器设计及其可测性分析：摘要 摘要 本文叙述基于a s i c 的低功耗m p 3 解码器设计，从算法级、结构级和电路级等层次 综合考虑，达到降低功耗的目的。在算法级，提出了用地址产生代替通常的“比特池” 缓冲区：提出了结合查表法和多项式拟合法的一种精度高、计算速度快、存储量小的逆 量化方法：并利用m p 3 频率线的特点，减少了逆量化、立体声处理、混叠重建以及i m d c t 等算法的运算量。在结构级，利用m p 3 解码各个环节之间的并行性和流水特性，设计 了左右声道的并行结构；i m d c t 和矩阵训算之间的流水结构；h u f f m a n 解码专逆量化 立体声的流水结构和粒度之间的流水结构等，使时钟频率可降低到串行结构的五分之 一。提出并实现了一种利用时钟双沿的乘法器，将乘法时间降低到6 0 。在电路级，使 用一种白适应触发器来代替普通的触发器，在面积仅增加2 的情况下可降低系统功耗 1 3 ；使用锁存器来代替触发器以降低功耗。在可测i 生设计方面，提出了一种新的测试 火块锁存器的测试方法，有很高的故障覆盖率，且适合做内建自测试；并针对锁存器子 模块的特点，对m a r c h 算法做了一定的改进：对s h a d o w 逻辑和多时钟扫描测试做了优 化，提高了故障覆盖率，减少了测试矢量。 本文的解码器接口设计考虑了可熏用性，能较好地适应不同的片上总线系统，多时 钟的应用环境，以及小同的接口时序要求。与其它基于d s p 或r i s cc p u 的软件解决方 案和基于a s i c 的m p 3 解码器比较，本设计在低功耗上具有明显的优势。 关键词：低功耗，m p 3 解码器，a s i c ，可测性设计 低功耗m p 3 解码器设计及其可测性分析：a b s t r a c t l o wp o w e rm p 3d e c o d e ra n di t sd e s i g n f o r - t e s t a b i l i t yt e c h n i q u e s z h o u j i n f e n g ( c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yn ig u a n g n a n i n l i sr e s e a r c hw o r k al o wp o w e rm p 3d e c o d e rb a s e do na s i ci sd i s c u s s e d p o w e r c o n s u m p t i o n i s o p t i m i z e d f r o m a l g o r i t h ml e v e l ，a r c h i t e c t u r e l e v e la n dc i r c u i tl e v e l s y n t h e t i c a l l y a ta l g o r i t h ml e v e l ，a d d r e s sg e n e r a t i o ni sp r o p o s e dt or e p l a c ec o n v e n t i o n a lb i t r e s e r v o i rb u f f e r ；c o m b i n i n gl o o k u pt a b l em e t h o d sa n dp o l y n o m i a lf i t sm e t h o d ，an e w r e q u a n t i z a t i o na l g o r i t h m ，w h i c h h a s h i g h e rs n r ，f a s t e rc o m p u t a t i o na n df e w e rs t o r a g e m e m o r yu s a g e ，i sp r o p o s e d ；e x p l o i t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fm p 3f r e q u e n c yl i n e ，a l g o r i t h m s f o rr e q u a n t i z a t i o n ，s t e r e op r o c e s s i n g ，a n t i a l i a s i n ga n di m d c ta r ei m p r o v e dt or e d u c et h e c o m p u t a t i o nl o a d a ta r c h i t e c t u r el e v e l ，t h em p 3 d e c o d e rt a k e st h ea d v a n t a g e so ft h ep a r a l l e l s t r u c t n r ef o rl e f tc h a n n e la n dr i g h tc h a n n e l ，t h ep i p e l i n e ds t r u c t u r ef o ri m d c ta n dm a t r i x i n g p r o c e s s ，a n dt h ep i p e l i n e ds t f a c t u r ef o r h u f f m a n d e c o d i n g ，r e q u a n t i z a t i o na n d s t e r e op r o c e s s t h ec o m p u t a t i o nt i m ew i t ht h ep a r a l l e la n dp i p e l i n e da r c h i t e c t u r ep r o p o s e di so n l y1 5o f t h a t w i t ht h e c o r r e s p o n d i n gs e r i a l a r c h i t e c t u r e m e a n w h i l e ，am u l t i p l i e r , w h i c hu s e sb o t ht h e p o s i t i v ea n dn e g a t i v ec l o c ke d g e s ，i si m p l e m e n t e d t h i sd o u b l e e d g et r i g g e r e dm u l t i p l i e rc a n r e d u c em u l t i t ) l y i n gt i m et o6 0 a tc i r c u i tl e v e l ，l a t c ha n ds a - d f fh a v eb e e nu s e dt or e p l a c e f l i p f l o pi ns o m em o d u l e st o r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o nt h ea d o p t i o no fs a d f fc a n r e d u c e13 p o w e rc o n s u m p t i o na ta ne x p e n s eo fo n l y2 a r e ai n c r e a s ef o rd f t , a n e wt e s t m e t h o di sp r o p o s e dt ot e s tl a t c hb l o c k s t h i st e s tm e t h o dh a sv e r yh i g hf a u l tc o v e r a g ea n di s s u i t a b l ef o rl a t c hb i s ti m p l e m e n t a t i o ns o m ed f ti s s u e s ，s u c ha st h es h a d o wl o g i ca r o u n d r a ma n dl a t c hb l o c k s ，t h en e g a t i v ec l o c ke d g ef l i p - f l o p sa n dm u l t i c l o c ks c a nt e s t ，a r e c a r e f u l l yo p t i m i z e dt oy i e l dh i g h e rf a u l tc o v e r a g ea n d f e w e rt e s tp a t t e r n s t h ei n t e r f a c eo ft h em p 3d e c o d e ri sd e s i g n e df o rr e u s a b i l i t yi tc a na d a p tt od i f f e r e n t o n c h i p b u ss y s t e m s ，w i t h m u l t i c l o c kd o m a i n a p p l i c a t i o n s a n dw i t hv a r i a b l e i n t e r f a c e t i m i n gr e q u i r e m e n t t h e m p 3d e c o d e r d e s i g n e d i s s u p e r i o r i nl o w p o w e r c o n s u m p t i o na sc o m p a r e dw i t hs o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n s b a s e do od s po rr i s cc p ua n d o t h e ra s 工cm p 3d e c o d e r s k e y w o r d s ：l o wp o w e r , m p 3d e c o d e r ，a s i c ，d e s i g n - f o r - t e s t a b i l i t y 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。就我所知，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写过的研究成果。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了谢意。 作者签名：r 铜铆锈日期：渺；、- 7 、 关于论文使用授权的说明 中国科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其它复制手段保存该论文。 作者签名： 导师签名：厘袭句日期：2 扩口；7 仁， 第一章绪论 第一章绪论 近年来，借助于i t e m e t 大潮，加之自身的高数据压缩比例和类似c d 的音质，m p 3 成为最流行的音乐格式。从1 9 9 8 年，韩国世韩( s e a h a n ) 公司推出了世界上第一台m p 3 播放器到现在，m p 3 播放器逐步成为数码市场上的热销产品。据赛迪顾问 2 0 0 2 - 2 0 0 3 年中国m p 3 播放机市场研究年度报告显示i “”】，2 0 0 2 年中国m p 3 播放机市场销售 总量达到5 28 万台，销售额实现6 7 5 亿元，分别比2 0 0 1 年增长1 3 5 7 和1 0 52 。另 据国际电子商情的数据显示【e “，中国m p 3 播放器月产2 0 0 万以上，主要出口到 美国、欧洲和东。此外，c a h n e r si n s t a t 研究公吾j 表示( e b n ”，全球m p 3 播放机的销 售额在2 0 0 2 年达到了1 25 亿美元。从以后的发展来看，i d c 预计，在m p 3 播放机市场 上，中国市场2 0 0 5 年销售量将达6 0 0 万台，年均增长率7 0 。可见，m p 3 播放机的市 场发展空间r 分巨大。 与此同日i j 。m p 3 播放器与p d a 、数字相机、游戏机，尤其是与手机的结合进一步 拓展了其应用领域。随着手持移动通讯设备的发展和25 g 、3 g 刚络的建设，人们对移 动电话电提出了更高的要求，除了提供基本的移动话音通讯功能以外，增加面向数字多 媒体的府用是移动电话发展的一个方向和趋势。1 9 9 9 年，爱立信( e d c s s o n ) 在w - c d m a 网络上成功地进行了m p 3 音乐传送试验。现在中国移动和中国联通也都把数据传输作 为近期的发展方向，像联通的c d m a 2 0 0 01 x 在理论上的速度已经达到了1 6 3 k b p s ，这 足以满足流蝶体正常播放要求的嘲络带宽，可以预见到以后移动电话用户将可以使用具 有数字多媒体功能的手机，从移动电话网上接收数字音频或视频。目前市场上已经出现 了内建m p 3 播放功能的手机，如m m o b i l e 与s a m s u n g 合作研制的s g h m 1 0 0 ( 国内 叫s g h m 1 8 8 1 。 同时，我们也必须注意到虽然中国成为了m p 3 播放器的生产基地k ”“，但是零部 件大多来自韩日等地。 1 1 基于软件的解决方案 _ i 呛是m p 3 播放器还是内嵌m p 3 播放器的移动电话，功耗都是决定产品成功与否 的最关键冈素之一。目前，m p 3 解码器的实现一般可以分为两种方案：专用解码芯片解 决方案和基于软件的解决方案。基于软件的方案，一般在通用d s p 上，通过软件的方 式实现。这种方案比较灵活，在产品初期能迅速占领市场，但需要的m i p s 和功耗相对 较大，通常在d s p 上用软件的方式实现m p 3 解码功能，需要消耗处理器2 0 4 4 m i p s 的 处理能力f 可参见本文第九章) ，并要求有约2 0 k b 叽e 以上的r a m 存储器和约2 0 k b y t e 以j 的r o m 存储器。这样高要求的处理能门j 于移动电话应用来说，是小太实脂的解 决方案。髓m 懈”1 等总结了g s m 基带处理功能的m i p s 需求，如图1 1 所示。从中可 低功耗m p 3 解码器设计驶其口j 测性分析 以看到，实现g s m 基带处理功能总共需要约5 3 m i p s ，如果加入m p 3 解码功能，几乎 要增加一半以上的运算量。因j - tm p 3 会被经常播放，所以这种内嵌m p 3 播放嚣的解决 方案会造成移动电话的待机时间和通话时间急剧减少。d s pg r o u p 的t e a k l i t e 口g p 0 1 是一 种用比较常见的用于移动电话基带处理的d s p ，它在实现m p 3 解码功能时需要 2 05 m i p s 的处理能力，2 4 4 k b y t e 的r a m 和3 3 3 k b y t e 的r o m g s p 0 3 ，功耗为 2 8 7 m a 1 8 v ，参见本文第九章。目前市面上绝大多数的m p 3 解码产品，都是基于d s p 的软件实现方案。 t a s kl o a d s q u a r ed is t a n c e c a l c u l 8 t 1 0 n ( 2 0m i p s ) a d dc o m p a _ 【es e l e c t 【a c s ) o p e r a t i o n ( 1 0m p s ) 4 2 i i p s ( 2 0 n l g l e xm cf o rc h a n n e l e s t l 儿l a t l o i la n dr e f e r o n c e g e n e r a t l o n ( 9m i p s ) o t h e r s ( 3m i p s ) c h a n n e l a c so d e r e t 2 0 n ( 3m i p s ) 4m i p s d e c o d l n g o t h e r s ( 1m i p s ) 4m i p s g o l c ec o dn g v o i c ed e c o d i n g2n i p s c h a n n e lc o d i n g01m p s o t h e r s09m i p s t o t e l 5 3m i p s 图l 一1g s m 基带处理功能的m i p s 需求 也有一些软件方案采用高性能r i s cc p u 实现，例如a r m 公司的a r m 7 或a r m 9 芯片。由于a r m 7 或a r m 9 都是3 2 位的处理器，相对目前1 6 位的d s p 具有一定的优 势，但是由于a r m 小是专门为信号处理而设汁的，所以在实现m p 3 功能时，对于乘加 运算较多的i m d c t 、子带综合滤波等处理步骤，效率会不如d s p 处理器。从a r m 公 司提供的资料来看 w r a j ，实现m p 3 解码功能需要处理器工作在2 0 3 0 m h z 的时钟频率 。i - ，并需要2 l k b y t e 的r a m 存储器和2 7 k b y t e 的r o m 存储器。具体数据如表1 1 所 不。 表1 1在a r m 系列处理器上实现m p 3 解码功能”“o 采样率lm p 3 格式 声道i a r m t t d m ia r m 9 t d m ia r m 9 e 4 8 k h z i 3 2 0 k b i t s 立体声 2 9 m h z2 5 m h z1 9 m h z 4 41 k h z 1 2 8 k b i t s立体声 i 2 5 m h z2 2 m h zl8 m h z 第一章绪论 w o n c h u ! l e e 等在参考文献 l e e 0 2 j 中报告了基于a r m 7 的m p 3 解码软件实现，需 要1 65 m i p s ，据此算出功耗为2 5 5m a 1 8 v ，参见本文第九章。 从上面t e a k l i t e 和a r i v i t t d m i 在实现m p 3 解码时的功耗比较，可知01 8 u m 生产 工艺的t e a k l i t e ( d s p ) 和o 1 8 u r n 生产工艺的a r m 7 t d m i 在的功耗基本上处于同一水平 r 2 8 7 m a l8 v v s2 5 5m a 1 8 v ) 。 1 2 基于v l s i 实现的m p 3 专用解码器 另外一种解码器方案是针对m p 3 的算法，设计基于v l s i 实现的m p 3 专用解码器， 一般执行效率比较高，功耗比较小。可以较好的解决功耗的问题。 下面简单的比较基于软件的实现和基于v l s i 实现的0 i 同点，从中可以看到为什么 基于v l s i 实现的方案4 & i f - 效率比较高，功耗更小。 苒先，在基于软件的m p 3 解码器实现中，由于受到处理单元数目的限制，解码的 各个琊节之间只能串行进行。由于实时回放( r e a l t i m e v l a y b a c k ) 的需要，解码一帧数据不 能超过特定的时间，如表1 2 所示。这就使得这一类的实现必须提高时钟频率，使得单 位时问内能完成的运算量增加从而满足实时性的要求。然而，提高时钟频率使得系统的 功耗相席的增加。 表1 2 实时回放的需求 采样率解码一帧的时间限制 1 l3 2 k h z3 6 m s j 4 4 1 k i t z2 62 m s 4 8 k h z2 4 m s 目前，大部分的d s p 还是1 6 比特的字长，一般来说，m p 3 解码的声音质量要达到 类似c d 的音质( s n r 9 0 d b ) ，需要的字长为2 0 比特以上。所以基于d s p 的m p 3 解码 器要用两个字来表示一个数，即用3 2 比特的宁长。这样的字长，使得d s p 处理数据的 运算量和存储量成倍的增加。而a r m 系歹q 处理器一般是3 2 比特的字长，所以在精度上 比d s p 有优势，因此需要的存储量比d s p 小。a r m 7 t d m i 和t e a k l i t e 存储量的比较如 表1 3 所示。 表1 3a r m 7 t d m i 和t e a k l i t e 的比较 a r m 7 t d m it e a k l i t e 公司 a r md s p g r o u p 处理器类型 r j s cd s p 字长 3 21 6 r a m ( k b y t e ) 2 12 4 4 r o m ( k b y t e ) 2 73 33 另外，一般地，d s p 适合于做数值运算，而小适合做逻辑操作，所以m p 3 解码中 的同步算法、h u f f m a n 解码等部分并小适合d s p 。所以造成d s p 处理效率可i 高。而a r m 低功耗m p 3 解码器设计及其可测性分析 系列处理器m 4 好和d s p 相反，适合傲逻辑操作，较不适合做数值运算，对于乘加运算 较多的i m d c t 、子带综合滤波等处理步骤处理效率不高。 相反的，在基于v l s i 实现的m p 3 解码器中，可以根据各个步骤的运算量来提供运 算资源，例如，对于运算量大的步骤，1 m d c t 和予带综合滤波等部分，可以放置多个 乘法器和加法嚣并行运算，以加速运算。同时，只要解码的各个环节之间不存在数据相 关，就可以并行进行。而且，各个部分可以采用最合适的结构，使得处理效率达到最好。 这些措施会极大的降低系统的时钟频率，从而降低功耗。 另外，v l s i 实现基本彳i 受亨长的限制。虽然字长最好是2 的幂次方，但是出于面 积、功耗、精度等方向的考虑，特殊的字长也可以。例如本文中设计的m p 3 解码器 ( v q l c m p 3 解码器) 采用的是2 2 比特的字长来表示变量，1 6 比特的宁长来表示常量，3 8 比特的字长来表示临时结果( 临时结果在写入存储器之前约简到2 2 比特) ，所以需要的存 储量大大小十软件实现的存储量。 所以，v l s i 实现相比于基于软件的实现，具有功耗低，存储量小的优电， 1 3 本论文的研究目的、意义及前景 论文中实现了一个硬连线( h a r d w i r e d ) 的、符合i s o i e c1 1 1 7 2 4 【“0 9 5b 全兼容精度的 m p 3 懈码器的设计，逻辑部分的面积为5 6 0 0 0 门( 包括了扫描测试的面积和b i s t 的面 积) ，共需要1 2 k b y t e 的s r a m 存皓器，逻辑部分的功耗为2 1 6 u a 33 v ，访问存储器 的功耗为6 9 4 u a 33 v ( 在以下的章节中，本文中实现的m p 3 解码器用v t c m p 3 解码 器来表示) 。椰其他基于d s p 或r i s cc p u 的软件实现方案，以及基于v l s i 实现的解 码器相比，v t c m p 3 解码器在功耗和面积上有着明显的优势。在设计过程中，各种可 测性设汁技术的综合运用，使得v t c m p 3 解码器达到了较高的故障覆盖率：可重用的 接l ：| 设汁使其可以较容易的集成到各种麻用系统中。 本文中，从算法、结构、低功耗、可重用性、可测性等方面研究了m p 3 解码器。 对m p 3 的解码算法做了比较深入的研究，在某些算法上有一定的创新，例如地址产生 算法，逆量化算法等。在系统结构上，充分利用并行性和流水性的处理结构，减少了 m p 3 解码的时间，并灵活的运用门生时钟和分频时钟，降低了解码器的功耗。从可重用 性的实际需求出发，说明了v t c m p 3 解码器的接口设计如何适应不周的片上总线系统， 如何适府多时钟的应用环境，如何适席不同的接口时序要求等。并且对v t c m p 3 解码 器的可测性做了比较全面的分析，综合运用扫描测试、内建自测试等方法，使得解码器 总的故障覆盖率达到了9 6 。 v t c m p 3 解码器可以直接配合个简单的m c u 做成一款m p 3 播放器，也可以做 为i p 或m a c r oc o r e 集成到具体的应用系统中，如移动电话、p d a 、数字相机、游戏机 等需要低功耗的手持设备，进行复用。 第一章绪论 1 4 论文组织 论文首先概述了m p 3 解码器的市场发展，阐明了功耗是关系m p 3 解码器成功与否 的关键因素，并对比了基于软件的实现方案和基于v l s i 的实现方案。第二章简要的介 绍了m p 3 压缩的基本原理和m p 3 解码的工作过程。第三章介绍了v t c m p 3 解码器v l s i 实现时的基本流程。第四章具体分析m p 3 解码器各个步骤的算法，重点在于适合v l s i 实现且具有低功耗特点的算法，并提出了一些创新性的算法，这些算法被应用到 v t c m p 3 解码器的设计中。第五章具体分丰斤了v t c m p 3 解码器的结构和实现，重点 在于发掘各种具有并行性和流水性的结构，以及时钟管t 望( c l o c km a n a g e m e n t ) ，从而降 低解码器的功耗。第六章从算法、结构、电路等层面分析v t c m p 3 解码器的低功耗设 训技术。第七章对v t c m p 3 解码嚣的可测性做了全面的分析，对于锁存器的测试提出 了种新颖的内建自测试算法。第八章从可重用性的角度，对v t c m p 3 解码器的接口 做了分析。第九章分析了v t c m p 3 解码器和标准的兼容性，并和多种现有的解决方案 做了性能上的对比，v t c m p 3 解码器在低功耗上有着列显的优势。第f 章是v t c m p 3 解码器在f p g a 上的验证。最后总结了v t c 。m p 3 解码器在算法、结构、低功耗和可测 性方面的创新，并指出了下一步t 作的方向。 低功耗m p 3 解码器设计及其口，测性分析 第二章m p 3 基本原理介绍 m p 3 是m p e g 一1 音频标准第二层压缩模式( m p e g 一1 a u d i ol a y e r - i i i ) 的简称，是- - 9 十 高压缩比的数字音频格式。在m p e g 一1 音频标准中 i s 0 9 3 1 ( 标准名为i s o i e c1 1 1 7 2 3 ) ，按 复杂程度规定了三种压缩模式，即层1 ，层2 和层3 。其中层3 比层1 和层2 要复杂得 多，但是能达到更高的压缩比，并且音质最好，可与c d 音质相比。一般在保证音质的 前提下，层3 的压缩比可达l o ：1 1 2 ：1 。1 9 9 4 年提出的m p e g 一2 音频标准 s 0 9 5 a ( 标准 名为i s o i e c1 3 8 1 8 - 3 ) 从采样频率和多卢道两方面扩充了m p e g 1 音频标准。 在m p 3 设备中，通常实现的是对来自数字存储媒介的数据的解码功能。本章首先 介绍人的听觉系统的感知特性，然后主要介绍m p 3 的解码原理。 2 1 听觉系统的感知特性 m p e g 1 和m p e g 一2 的声音数据压缩编码小是依据波形本身的相关性和模拟人的发 音器官的特性，而是利用人的听觉系统的特性来达到压缩声音数据的目的，这种压缩编 码称为感知声爵编码( p e r c e p t u a la u d i oc o d i n g ) l i n 0 2 o m p e g 音频标准所采用的感知编码 主要应用了心里声学模型( p s y c h o a c o u s t i cm o d e l ) 的三个特性：响度、音高和掩蔽效应。 声音的响度就是声音的强弱。入耳对响度的感觉有个范围，即从听阈到痛闽。人 耳对不同频率的声音的敏感程度差别很大，其中对2 k h z 4 k i t z 范同的信号最为敏感， 在这个频率范罔内，幅度很低的信号都能被入耳听到。而在之外的低频区和高频区，能 被人耳听到的信号幅度要高得多。在安静环境中，能波人耳听到的纯音的最小值随频率 的变化曲线称为绝对听阀”曲线【t e r ”1 ，类似于图2 1 l 3 i 01 。由于低于“绝x c v ? i n ”曲 线的声音爿；能被人耳感觉到，数字音讯在做压缩处理的时候，可以将这部份声音直接舍 去。 客观上用频率来表示声音的音高。人耳可以听到的晟低频率约2 0 h z ，最高频率约 1 8 k h z 。音频通常以2 0 h z - 2 0 k h z 为界，所以在做压缩处理的时候，可以先除去音频以 外的资料。 一种频率的声音阻碍听觉系统感受另- - 3 十频率的声音的现象称为掩蔽效应。前者称 为掩蔽声高：( m a s k i n gt o n e ) ，后者称为被掩蔽卢音( m a s k e dt o n e ) 。掩蔽分成频域掩蔽和时 域掩蔽。 一个强纯音会掩蔽在其附近同时发声的弱纯音，这种特性称为频域掩蔽，也称同时 掩蔽( s i m u l t a n e o u sm a s k i n g ) 。一般来说，弱纯音的频率和强纯音越接近就越容易被掩蔽。 由于声音频率与掩蔽曲线不是线性关系，为了从感知l ：来统一度量声音频率，引入了“临 界频带( c r i t i c a lb a n d l ”的概念。通常认为，在2 0h z 到1 6 k h z 范同内有2 4 个临界频带舯”l ， 详细地划分可见参考文献- l “j 。 第章m p 3 基本原理介绍 呈 景 j ! l t 蠹 n n ： 、 b 、- * i ：_ 图2 - 1 绝对听阈曲线 在实际情况下，通常掩蔽声音小会只有一个，当很多频率的掩蔽声音同时出现时， 掩蔽曲线就变得很复杂。更复杂的是，掩蔽曲线会随着频率、音量大小以及时间的变化 而变化，所以当压缩声音信号时，每取一段声音数据就要实时更新掩蔽曲线。更多的信 息可见参考文献l a j 。 除了同时发出的声音之间有掩蔽现象之外，在时间上相邻的声音之间也有掩蔽现 象，称为时域掩蔽。时域掩蔽又分为超前掩蔽( p r e m a s k i n g ) ： h 滞后掩蔽( p o s t m a s k i n g ) 。 当一段大音量声音后，紧接来的是较小音量的声音时，这后来的小音量的声音不易被人 耳察觉，称为滞后掩蔽。当小音量声音之后紧接着是较大音量的声音时，也会有部份小 音量声音会被后来的大音量声音给遮盖住，称为超前掩蔽。产生时域掩蔽的主要原冈是 人脑处理信息需要花费一定的时间。一般来说，超前掩蔽很短，只有大约5 2 0m s ，而 滞后掩蔽可以持续5 0 2 0 0m s 。 2 2m p 3 懈码器综述 m p 3 解码设备通常完成的是压缩后数据的解码，将其恢复成p c m 格式的音频信号。 m p 3 解码器是本论文设计的核心内容。本节将基于图2 - 2 中的功能框图对m p 3 解码器 进行功能性的描述，更详细的内容请参考8 0 9 3 s a l 9 7 ，每一部分具体的算法、结构和v l s i 实现在后面的章节中有更具体的描述。图2 - 2 中显示的是立体声数据的解码过程。 低功耗m p 3 解码器殴计及其可测性分析 h “觜“h 逆量化 r 磊磊磊l 墨c a lc l , - , 2 l 面网jj l 一 夏卜j 二辅助数据 2 2 1 比特流的格式 图2 - 2m p 3 解码器功能框图 m p e g 一1 音频比特流由帧组成每一帧包含用于重建原始p c i v i 样本的信息。每一 帧| _ h 五个部分组成，分别是：帧头( h e a d e r ) ，c r c 字( c r cw o r d s ) ，边带信，n , ( s i d e i n f o m a t i o n ) ，主数据( m a i nd a t a ) 以及辅助数据( a n c i l l a r yd a t a ) ，如图2 - 3 所示。 帧头c r c 字边带信息丰数据辅助数据 ( 3 2 )( 1 6 )( 1 3 6 或2 5 6 )( 长度小固定)( 用户自定义) j l 声道由，- r 垃赶声道右声道 一，j 一一“一一一 、1 1 ，、 比倒划rh u f n i l a l l 码l l 例固rh u t f m a n 码比例凶fh i t f f m a n 码比例因子h u f f e a n t 鸭 图2 - 3m p 3 帧数据组成f 立体声) 帧头 帧头部分包含了一个同步宁矛u 一些系统信息。为了检测到新一帧的开始，每一帧的 最前面都是一个1 2 比特的同步字( o x f f f ) 。帧头的其余部分则包含对帧类型的描述信息。 为了获得更稳定的同步，帧头中所有可以被解码器预先知道的比特都可以被当作同步字 的一部分来使用。 c r c 宁 作为可选的部分，在帧头后还可以包含一个1 6 比特的c r c 校验亨，这给解码器提 供了一定的榆错能力。 第二章m p 3 基本原理介绍 边带信息 边带信息部分包含了解码器在解码主数据时需要的信息。这些信息包括：在h u f f m a n 解码时码表的选择信息和重建比例因子所需要的信息。由于在m p 3 中使用了比特池( b i t r e s e r v o i r ) 技术，因此在边带信息中还包括了主数据从何处开始的信息。对于单声道，边 带信息的长度为1 3 6 比特，而对于双声道为2 5 6 比特。 主数据 主数据部分包含了编码后的比例因子以及霍夫曼( h u f f m a n ) 编码后的数据。这两部分 数据被称为主数据，而每一帧中包含主数据的部分称为主数据区。由于在层3 数据流中 使用了比特池技术，每一帧主数据的长短可以根据h u f f m a n 码字的时变特性而变化。如 果某一帧中的主数据区中存在空闲比特，则这些比特可以允许其后续帧用来放置主数 据。因此，某一帧的主数据可以分散到多个帧的主数据区中。通过读取边带信息中的一 个长度为9 比特指针数据，可以找到主数据的开始。关于比特池更详细的说明可见于参 考文献 s 0 9 3 和本文第四章43 小节， 主数据分为2 个粒度。在单声道校式时，一个粒度只包含一个声道；其它模式时， 个粒度包含2 个声道。每个卢道的数据由比例因子和h u f f m a n 码组成。一个声道内的 h u f f m a n 码对应5 7 6 条频率线。 辅助数据 在每一帧可以选择加入辅助数据部分。m p 3 中，辅助数据被放在一帧主数据末尾至 下一帧主数据开始之间，当然，不包括用于帧头和边带信息的比特。辅助数据部分的格 式由t 【 户自定义，m p 3 解码器原封不动的输出辅助数据，而不作任何处理。 2 2 2 同步和c r c 校验 同步和c r c 校验对输入的比特流进行识别并将信息传送给后续的模块。同步模块 通过搜索同步字识别每一帧的位置，进而和比特流同步。如果当前帧有c r c 字，c r c 校验模块检查受保护的数据有没有错误。只有知道了各帧的位置，解码器中的后续模块 才有可能根据m p e g 1 音频标准获得该帧中的所有信息。 2 2 3 边带信息解码 边带信息的长度只有两种可能，而且排列比较固定，所以边带信息解码相对来说比 较简单，按照m p e g 一1 音频比特流的格式解码即可。 2 2 4 比例因子解码 图2 - 3 说叫了每一帧中比例网子的组织。比例因子的数日和长度是不固定的。边带 信息中指示了比例因子的数日和长度。个比例冈子只作用于一个比例防1 子带。比例冈 9 低功耗m p 3 解码器艘计及其j l 测陛分析 子带的数目也就是传送的比例因子的数目取决于编码器中m d c t 模块使用的窗类型。 一个粒度中为一个声道传送的比例因子的最大数目是3 6 。在m d c t 之前应用短窗时达 到这个最大值。在解码操作进行前，必须确定某一声道实际的比例因子数日。 一帧中两个粒度的对应声道可以共享相同的比例因子，此时，比例因子只出现在第 一个粒度中。边带信息中会指示这种情况。 2 2 5h u f f m a n 解码 h u f f m a n 码是一种变长码，因此，不能试图在码流中分离出单独的码字，也就是说， 如果不从头开始解码的话，无法在这些比特流当中识别个个独立的码字。所以，如果 在一串h u f f m a n 码流中的某处出错，那么之后的码流将不能被正确的解码。为r 扩展 h u f f m a n 编码后频率线的动态范同，在编码器中引入了一个变量e s c a p e 。如果量化后 的频率线值超过15 ，那么将只对15 进行编码，而超出的值将表示成未经编码的e s c a p e 值。为了正确的晕建量化频率线，h u f f m a n 斛码器必须先榆 9 1 4 是否存在e s c a p e 值和符 号位。 h u f f m a n 解码过程中：肾根据3 2 个静态h u f f m a n 码表中的一个来判断码字何时结束， 以及码字所对应的一对或四个数值。边带信息中指定奉次h u f f m a n 解码使用哪个码表。 实现h u f f m a n 解码有许多可以参考的方法，侧重点可以是运算速度或者存储量等方面。 h u f f m a n 解码的输出是一组5 7 6 条的频率线。这一组频率线分成3 个部分： b i g - v a l u e s ，c o u n t l 和r z e r o ，如图2 - 4 所示。这三部分的边界在边带信息中指定。只有 b i g - v a l u e s 和c o u n t l 部分的频率线会出现在码流中。r z e r o 部分的频率线全是0 ，所以不 用编码，也4 i 出现在码流中。在解码中，要补齐r z e r o 部分的频率线。 2 2 6 逆量化 图2 - 4 频率线的区域划分 逆量化( 包括了逆比例) 的作用是重建频率线，使得复原的频率线与编码器中m d c t 产生的频率线具有相同的感知效果。逆量化的过程是基于由h u f f m a n 解码解出的频率线 以及由比例冈子解码模块解出的比例因子。对于长商采用公式2 1 ： 4 1 ，g t o h ( # g * 酬【“j - 2 1 0 y 7 ：= s 睁? ( 码) 。撕( 埘，) ii 二丽i 而而砉三丽面丽面乔而两百而而丽 公式21 对于短商，采用公式2 2 ： 1 0 第二章m p 3 基本原理介绍 11 4 ( g l o h a z _ 私1 ” f 】【曲 - 2 1 0 - 8 x u b b l o c k _ g a i n 【j 【曲】【驴】 哪如“】) 叫2 5 i g n ( ”) a b s ( i s l ) 3 二可面而丽赢面五丽丽丽i j 厂 公式2 2 其中 s 。代表频率线，i 是频率线的序号。 2 2 7 顺序重排 顺序重排模块的作用是检测是否有子带( 子带和比例因子带是2 个不同的概念) 使用 短窗，如果有，则将这些子带内的频率线的顺序重新按照m d c t 输出的顺序进行排列。 通过边带信息中的变量w i n d o w s w i t c h i n g _ f l a g 和b l o c k _ b y t e 可以检测到是番需要重新排 序。下面说明了子带重新排序的算法。 r e o r d e r ( n ) f o r w i n d o w = o t o2d o f o r i n d e x = 0 t o5d o f o ( n + 1 84 - 6 4 w i n d o w + i n d e x ) = f d ( n 418 + w i n d o w + 3 + i n d e x l e p d f o r e n d f o r 其中，n 表示子带号，取值范围为 o ，1 ，2 ，3 1 。f d 表示顺序打乱的频率线，f o 表示排序后的频率线。 2 2 8 立体声处理 m p 3 支持两种立体卢编码模式：m s 立体声编码( m i d d l e s i d es t e r e oe n c o d i n g ) $ u 声 强立体声编码( i n t e n s i t ys t e r e oc o d i n g ) 。这两种模式考虑了大多数立体声信号的固有冗余。 立体声处理模块的作用是将编码后的立体声信号还原为左右声道立体声信号。 在解码时，对于m s 立体声，左右声道可以用公式2 3 重建，其中i 是频率线的序 号。 扣警= 警 公她， 对于声强立体声，增强位置i sp o s 按照比例因子带进行编码。在同一个比例因子带 中，解码后的左右卢道具有相同的频谱形状，只是幅度不同。在解码器中，左右声道 的重建依据公式2 4 。这里i 加表示比例因子带。 扫一砌m = t a n ( 担一p o s # a 孛 ，i s r a t z o # 7 , 三_ = l i 1 + i 2 s _ r a t i o # 7 , 和r ：l 一公式2 4 1 + i s r a t i o + m 增强位置i se o s 的值放在右声道的比例网子带内。由h u f f m a n 编码中出现的零分量 低功耗m p 3 解码器设计及其日丁删性分析 来决定哪个高频子带采用增强立体声编码。 m p 3 支持一帧内既有m s 立体声又有声强立体