（计算机系统结构专业论文）ac3音频解码在专用嵌入式平台上的实现.pdf

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：；i，；。童h一、i蠹弘重蠡款强鎏气：l0il，；，；， 1 =_倦 ； 独创性声明 | i | 川j i i j j i j j l j 洲i i | i i i i y 18 0 2 6 8 7 本人声明所呈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写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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。 签名：整：刍日期：抛矽年5 月口2 弓日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、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应遵守此规定) 签名：毯鱼导师签名：兰幽三 日期：彦一o 年芗月乒3 日 协 ， p l i p 摘要 摘要 作为数字媒体的重要组成部分，数字音频越来越受到人们的重视。并且，伴 随着嵌入式技术的迅猛发展，数字音频技术在嵌入式系统中的应用成为了当今的 研究热点。嵌入式系统配置灵活，低功耗，小型化，可剪裁等特点十分适合作为 数字音频设备的开发平台。 现代社会，很难想象人们可以生活在一个没有音乐的社会里。所以，人们可 以在市场上找到各式各样的音频便携式播放器，这些播放器的核心就是音频解码 器。为此，研究音频解码程序在嵌入式平台上的实现有很大的研究价值和应用意 义，同时还拥有广大的市场前景。 本文以d o l b ya c 一3 音频标准为依据，研究d 0 1 b ya c 一3 在一款专用嵌入式平 台( 解码核心是d s p 芯片) 上解码的实现方法。音频解码需要对音频信号进行处 理，运算量很大；d s p 优越的信号处理能力正好符合了音频解码的这些要求。 本文首先通过查找大量的资料，仔细了解各种音频解码系统的典型设计方案； 然后结合课题组提供的硬件平台，设计出一套基于这个特殊平台的解码解决方案。 此方案采用软件和硬件协同设计的方法，在满足解码要求的前提下，进行裁剪和 优化，尽量使系统达到最佳设计效果。 开发一款音频解码系统，标准是很关键的。所以，本文用较大的篇幅分析了 a c 一3 音频解码算法以及对应的c 语言实现。这部分是项目核心环节之一，需要仔 细研究。特别是其中的比特分配模块，这个模块是软件解码部分的核心环节，涉 及到很多声学概念和声学模型。还有就是i m d c t 模块，在本课题中，频域到时域 的转换模块是使用硬件加速器来完成的，但为了对平台进行验证，软件人员仍然 需要整体的掌握i m d c t 的程序实现。 在对a c 一3 解码的核心算法有一定了解的基础上，开发人员基于本课题组的硬 件平台编写汇编代码，同时验证解码功能的正确性。在此基础上，为了达到解码 实时性和降低成本的要求，对软件进行部分手动优化。 在本课题中，本人主要负责软件解码部分的实现。所以，本文侧重于软件模 块的阐述。 关键字：嵌入式、数字音频、a c 一3 解码、优化 挂 壤 p a b s t r a c t a sa l li m p o r t a n tp a no fd i 百t a lm e d i a ，d i 百t a la u d i oi sc o n c e n l e db ym o r e 锄dm o r e p e o p l e a n d ，w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m to f 翎曲e d d e dt e d m 0 1 0 9 y m e 印p l i c a t i o no f d i 百t a l - a u d i ot e c h n o l o g ) ，w h i c hi s b 弱e do n 即曲e d d e ds y s t e m ，h a v eb e c o m eo n eo f h o t s p o t s b e c a u s e 盯n b e d d e ds y s t 锄i sv e 叫s u i t a b l e 鹤ad e v e l o p m e n tp l a t f o mf o r d i 百t a la u d i od e v i c e s ，d 印e n d i n go nl l i sf c a t u r e s ：f l e x i b l ec 0 n 丘咎l r a t i o n ，l o wp o w e r s m a l ls i z ea i l dr a i l d o mc u t t i n g t o d a y i ti sd i 伍c u l tt oi m a 百n e 廿l a tp e o p l ec a i ll i v ei nas o c i e t yw i m o u tm u s i c s o ， p e o p l ec 锄f i n da 1 1k i n do fp o r t a b l e 卸d i op l a y e r si l ln l em a r k 吼，t l l ec o r co ft l l e s e p l a y e r si sm ed e c o d 昏c o r e s o ，i th 弱g r e a tr e s e a r c hv a l u e ，印p l i c a t i o nv a l u ea l l db r o a d m a f k e tt oi i 鼯e a r c ha n dd e v e l o p 觚a u d i od e c 0 d e rb a s e do ne m b c d d e ds y s t 锄 h ln l i sp 印b 嬲eo nt h ed 0 1 b ya c - 3 跚d i os t a l l d a r d ，m yt e 锄仃yo u rb e s tt 0 r e s e 铷r c h 托i m p l e i l l t a t i o n - m e m o d o fa c 一3d e c o d m g0 nt l l es p e c i a l - e m b e d d e d p l a t f 0 彻a u d i od e c o d e rn e e dt 0p r o c e s sc o m p l e x 卸d i os i 朗a l ，m i sn e e dap r o c e s so f h a v i n g 廿l es 仃0 n g - c o m p u t i n gp o w e r a m o n gm 觚y e i l m e d d c d p r o c e s s o r s ， t l l e c a p a b i l i t yo fd s pt 0p r o c e s ss i 印a li sv e d rs 仃d n g t l l i sm a t c hr e q u i r 锄e n to f t 1 1 e a c 一3a u d i od e c 0 d i n g s os e l e di t 弱t h ec o r eo ft h j sd e c o d i i l gp l a t f 0 肌 h lt l l i s p a p 硪e rr e a d i n gl a r g e 锄。嘣so f t e c h n i c a lm a t e r i a l 锄dd a d e v e l o p c r sd e s i 印t l l ea c 一3d e c o d i n gs o l u t i o n ，w i l i c hl l s eas p e c i a l - p u 印o s ep l a t f o n i l s u p p o r t e db y 1 eh a r d w a r et e 锄t 1 1 i ss 0 1 u t i o n1 l s 鹤m ea p p r o a c ho fh a r d w a r e 锄d s o 食w a r ec o - d e s i g n h 1t 1 1 i sc 鹊e ，f o ra c h i e v i n gt l l eb e s td e s i g n e a e c t ，d e v e l o p e r sc 锄 c o n f i g i l r et l l eh 莉w a r e 锄ds o f h a r e 觞p o s s i b l ea s l e yc a n t h ed e c 0 d i n gs t 觚d a r di st l l em o s ti r n p o r t a n tt 0d e v e l o pm e 肌d i od e c 0 d e r ，n l e r e 南r e ，i nm i sp a p w t e ru s em a l l yt i m et 0 锄a 1 ) ，z ea c 一3d e c o d i n ga 1 9 0 d t l l m s 觚dm er e a l i z a t i o no fc - l a l l g u a g e t h i sp a ni sak e yo ft l l i sp r o j e c t ，根l u i r ed e v e l o p e r s t 0s t u d yc a r e 如l l y s p e c i a l l y ，p l e 雒ep a ym o r ea t t 胁t i o nt 0m eb i ta l l o c a t i o nm o d u l e ， 、) l 帖c hi sm ek e ys t 印o fm es o 胁a r e - d e c o d i n gi n l i sp r o j e c t ni sr e l a t e dt om 锄y a c o u s t i c sc 0 n c 印t 锄da c o u s t i cm o d e l s d c tm o d e l i s 锄o t h e rp a r td e v e l o p e rs h o u l d p a ym o r ea t t t i o nt 0 i i l “sp r o j e c t ，i ti sa c c o m p l i s h e db yt 1 1 eh a r d w a r ea c c e l e r a t o r i i a b s t r a c t b u t ，a st 1 1 es o 胁a r ed e v e l o p e r s ，m e ya r es t i l lr e q u i r e d t om a s t e r 廿1 ep r o g r a m i n l p l 锄e i l t a t i o no fi m d c t f o rm et e s t i n g o nt 1 1 eb a s eo fl h l d e r s t a l l d i l l go fa c 一3d e c o d i n ga l g o r i t h m ，d e v e l o p e r s 、r i t e a s s 锄m l yc o d eb a u s e do n 也es p e c i a lh a r d w a r ep l a t f o r ma l l dv e d 母m ec o r r e c 缸l e s so f d e c o d i n gp r o c e s s a r e rm a t ，叩t i m i z et l l ea s s 锄b l yc o d eb yh 觚df o rm er e q u i 崩n e i l t o fr e a l t i m ed e c o d i n g 1 1 1t l l i sp r o j e c t ，t l l e 、槲t e ri sr e s p o n s i b l ef o rt 1 1 es o 脚a r ei m p l e m e n t a t i o n t h e r e f o r e ， t h em a i nf o c u so ft h i sp 印e ri st h es o 胁a r em o d u l e k e y w o r d s ：e m b e d d e d ，d i 沓t a la u d i o ，a c 一3d e c o d i n g ，o p t i m i z a t i o n i 1 l 目录 目录 第一章引文1 1 1 课题的背景1 1 1 1 嵌入式系统简单介绍1 1 1 2 主流音频标准介绍2 1 1 3d 0 1 b v a c 3 介绍。3 1 1 4d s p 简单介绍4 1 1 5 音频解码器设计方案及芯片选择6 1 2 应用背景和研究意义7 1 3 本人的任务。7 1 4 论文的内容安排8 第二章音频解码技术分析9 2 1 关于解码的基本概念9 2 2 语音压缩技术的分类1 0 2 3 本章小结1 2 第三章系统的总体设计方案1 3 3 1 系统的总体框架1 3 3 1 1 音频编解码器模型1 3 3 1 2 本课题解码器总体架构1 4 3 1 3d s p 硬件架构1 5 3 1 4i m d c t 硬件加速器l6 3 1 5p c m 接口。1 7 3 2 软件设计17 3 2 1 软件开发环境1 7 3 2 2 三级流水设计1 7 3 2 3 指令集介绍1 9 3 2 4 软件整体设计1 9 目录 3 3 本章小结2 l 第四章结合c 实现分析d o l b ya c - 3 解码算法2 2 4 1d o l b va c 一3 编码器模型及编码流程2 2 4 2d 0 1 b va c 一3 码流格式2 3 4 3d 0 1 b va c 3 解码总体分析2 5 4 3 1d o l b ya c 3 解码模型和解码流程2 5 4 3 2d o l b va c 3 的c 解码程序总流程2 6 4 4d o l b y a c 3 解码详细分析一2 8 4 4 1b s 与b s i 解包分析2 8 4 4 2 指数解码分析2 8 4 4 3 比特分配模块分析3 0 4 4 4 尾数解码即尾数反量化分析3 4 4 4 5 去耦合模块分析3 7 4 4 6i m d c t 模块分析3 8 4 5 本章小结3 9 第五章解码程序c 到汇编的实现及验证4 0 5 1 数据存储分析4 0 5 1 1c 关键数据结构分析4 0 5 1 2 数据存储具体分布4 5 5 2 程序实现4 5 5 3 软件解码关键模块的数据验证4 6 5 3 1 参数的验证4 7 5 3 2 指数数据验证4 9 5 3 3 解码得到的b a p 值的数据验证5 0 5 3 4 尾数数据的验证51 5 4 本章小结5 2 第六章解码程序的优化5 3 6 1 程序优化基本思路和方法5 3 6 1 1 程序优化的基本思路5 3 6 1 2 程序优化的方法5 5 v 一 目录 6 2 优化的实施5 7 6 2 1 优化前数据分析5 7 6 2 2 程序的具体优化5 8 6 3 本章小结6 4 第七章总结与展望6 5 7 1 本文总结6 5 7 2 展望6 6 致谢6 7 参考文献6 8 一 第一章引文 第一章引文 本课题的研究主要涉及到两个方面：音频解码技术和嵌入式技术。音频技术 是数字多媒体技术中必不可少的组成部分。这些年来，伴随着嵌入式技术的不断 发展，嵌入式芯片的处理速度越来越快，完全可以满足音频信号处理中繁杂而又 庞大的运算。因而，不断涌现各式各样的基于嵌入式平台的音频编码解码解决方 案。正因为如此，研究音频编解码技术在嵌入式系统中的实现方法有着重要的现 实意义和应用价值。 引文作为本论文的第一章，重点介绍与课题相关的技术背景，发展现状，以 及课题的研究价值；在本章的最后，还用一些篇幅介绍一下在本论文中作者的主 要工作；最后给出论文各个章节的内容安排。 1 1 课题的背景 本课题的目标是在一个专门的嵌入式平台上实现d 0 1 b ya c 一3 音频解码系统。 课题组首先进行了深入的调查和研究：了解相关的技术背景；了解这个领域当前 的发展状况及趋势；以及当前主流的解码解决方案。然后，结合课题组自己的实 际情况，设计出一套针对课题组所用的硬件平台，确实可行的d o l b ya c 一3 解码解 决方案。 1 1 1 嵌入式系统简单介绍 什么是嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 并没有一种十分准确的定义，一般认 为它是一种特殊的专用的计算机系统，而且是完全嵌入到受控器件内部的；整个 系统一般是由微型处理器、外围的硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序 这四个部分共同组成；它的核心往往是由单个( 亦或多个) 微处理器或者微控制 器共同构成的；以计算机技术作为基础，仅仅围绕着应用这个中心点，并且具有 配置灵活、软硬件可剪裁的特性；它与人们常用的p c 系统的最大区别：没有p c 系统那样的通用性，一般都是依据特殊用途对嵌入式系统进行专门定制及剪裁。 只要满足客户的要求，系统可以灵活的选择( 即做剪裁) ，理论上，做一个能满 足要求的最小系统即可。这样可以同时兼顾效率及成本。 l 电子科技大学硕士学位论文 1 嵌入式系统的特点： ( 1 ) 嵌入式系统与实际应用是分不开的，其中任何一个有所变动就会影响到 另外一方，它们是紧密联系在一起的。 ( 2 ) 嵌入式系统所面向的用户群往往是特定的，不如p c 机系统那样通用。 ( 3 ) 系统具有小体积、低功耗、高度集成等特点。 ( 4 ) 很多软件往往以固件的形式直接烧写到系统内部的存储器上( 如r o m ， f l a s h 等) ，而p c 的程序是保存在其它介质上的( 例如常见的磁盘就是 其中一种介质) 。 ( 5 ) 高效的软硬件设计搭配，配置灵活，不必要的部件都将会被剪裁掉。 2 嵌入式系统的发展趋势： ( 1 ) 单核系统向多核发展是嵌入式发展的趋势之一； ( 2 )当今是一个知识急速膨胀的机会，很多的新知识与理念都是通过网络传 播的，所以网络化必然是另一个发展方向； ( 3 ) 嵌入式系统不会像从前那样是一个个独立的节点，嵌入式系统之间的互 连是必然的趋势； ( 4 ) 由于嵌入式领域的特殊性，多种处理芯片共同存在( a r m 、m c u 、d s p 、f p g a 等) ； ( 5 ) 把通用计算机上由多个不同配件才能完成的所有任务全部集中到一块芯 片上实现，集成程度越来越高，系统朝着小型化方向发展。 ( 6 ) 嵌入式操作系统的研究是另一个热点，且朝着多元化方向发展。 1 1 2 主流音频标准介绍 数字音频编解码通俗地说，就是将自然界的各种声音信号经过各种处理转变 为便于存储的数字信号，播放的时候再将这些存储起来的数字信号还原为模拟信 号，将声音还原回来。研究数字音频编解码的技术人员往往以数字音频标准作为 研究的依据，因为每一种被广泛使用的新标准的诞生往往就意味着编码解码技术 领域新的发展。所以，在本论文的开始有必要关注一下目前世界上这些主流的音 频编码解码标准。 当今世界上主流的编解码标准： 1 m p e g 一1 音频技术标准：上世纪8 0 年代中期推出的音频技术标准，具备八 个声道的伴音功能。为数字视频节目伴音是当初推出这个标准最主要目的。而且， 2 第一章引文 世界上有一些地方，语言环境十分复杂，在这样的地方可以考虑使用m p e g 一1 标准。 2 m p e g 2 从c 标准：从c 是m p e g 2 编码技术标准之一，在m p e g 2 技术标准中的 第七部分进行了标准化。 3 d t s 标准。d t s 是数字影院系统的缩写。d t s 的优势是其环绕立体声的质量 非常的好，特别适合在数字电影院中使用。目前美国就有过万家电影院使用d t s 。 4 w m a 标准：它是微软公司开发的，基于互联网流媒体应用的数字音频压缩 标准。因为是基于互联网流媒体而设计，它的设计就要求码率要低。这个特点使 得w m a 成为了当今音频的重要标准之一，特别是在互联网领域占据了很大的市场 份额。目前，微软公司已将w m a 作为推荐的事实标准之一。 5 a c 一3 音频技术标准：可以说是目前世界上应用最广泛的音频编码解码技术 标准；应用很广泛，已经被美国、澳洲、欧洲的国家和地区采用，作为数字电视 的音频标准。它是美国杜比公司推出的，支持单声道，立体声和5 1 环绕声。 中国有庞大的消费者市场，但是以前一直没有自己的国家音频标准。为了使 用这些国外音频标准，中国每年都得向国外支出很大一笔专利费。所以，拥有一 套完全拥有自主知识产权的音频编解码标准迫在眉睫。 经过多年的努力，如今中国已经成功制定了拥有自主知识产权的音频编解码 标准：d r a 标准( 多声道数字音频编解码技术规范) 。除此之外，a v s 视音频标准 的音频部分也将是国内音频领域重要的可选标准之一。这些打破了国外的垄断， 都将会极大的促进中国音频产业的发展。 d r a 音频标准：国际蓝光三大音频标准之一，同时支持多声道环绕声以及立体 声，利用很低的编码复杂度就能实现高效的压缩。 a v s 是“信息技术、先进性音视频编码 的简称，是国内除了d r a 以外另一个 拥有自主知识产权的音频可选标准；也是国内音频标准的有力竞争者之一，由音 频、视频、系统、数字版权管理和其它的支持标准一同组成。 中国拥有庞大的消费群体，随着音频标准的制定，将为我国数字音频事业打 下坚实的基础。可以预想：它们很快就会在国内的数字电视、数字音频广播、移 动多媒体等众多领域开始产业化应用；中国数字音频产业必定会迎来蓬勃发展的 时期。 1 1 3d ol b ya c 一3 介绍 本论文的研究的目标是：在一个特定的嵌入式平台上实现由美国杜比公司推 3 电子科技大学硕士学位论文 出的d o l b ya c 一3 音频解码算法。所以，在众多的音频编解码标准中本论文重点介 绍a c 一3 的一些基本特性。 杜比数字a c 一3 ( d 0 1 b yd i g i t a la u d i oc o d i n g3 ) ：新一代的家庭影院音频 系统，可同时支持5 1 个声道。它采用了目前十分先进的感觉数字音频编码技术， 充分利用人耳掩蔽效应的感觉模型，取得了很好的编解码效果。它在编码的压缩 效率、声音的质量以及算法通用性方面都超出了以前的音频编解码标准。 研究证实：不同频段内人耳的敏感度不一样，但在同一频段内，人耳的声学 特性是很接近的。a c 一3 进行编码时，充分利用人耳的这些特点，依据建模得到的 声学模型将人耳的听觉特性分成很多个窄小频段，分频段进行处理，在不同的频 段内采用不一样的参数。 a c 一3 做到了压缩比很高的同时又保证了比较好的声音质量。它的p c m 音频信 号可以被压缩为3 2 k p s 一6 4 0 k p s 的比特流，正常情况下，压缩后的数据只有原来数 据的十分之一左右。 可以提供多达5 1 个声道( 五个全频域声道、一个低音声道) 。五个全频域 声道分别是：前置左声道和前置右声道、中置声道、后置左环绕声道和后置右环 绕声道；还有一个比较特殊声道，它就是用来增强爆炸、撞击声等声音效果的第 六声道( 超低音声道) 。之所以称它做“1 ”声道是因为这个声道是用来响应从3 h z 到1 2 0 h z 这个低频段的。 对a c 一3 音频系统做合理的配置可以产生多种令人震撼的音场效果，例如：利 用前置左音箱、前置右音箱和中置音箱，合理配置就可以产生具有很强深度感的 声音场景；利用两个后置或侧置的环绕音箱加上超低音箱就可以产生宽广壮阔的 声音场景 d 0 1 b ya c 一3 的主要特点包括：向下混合，有声音响度控制的功能，良好的向 后兼容性，自适应比特分配，完整的动态范围控制系统，很高分辨率的音频包络 编码，编解码复杂度适中。 目前d 0 1 b ya c 一3 的应用领域主要是：有线电视、消费电子设备、通过卫星的 数字广播、预先录制的媒体、数字演播室、c d 播放机、数字演播室、家庭影院、 固体录音机、家庭影院、娱乐媒体和电影院的环绕系统。 1 1 4d s p 简单介绍 本课题的硬件平台的核心是一款特殊的d s p ，专门为音频解码而开发的。 4 第一章引文 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) ：数字信号处理系统。它最突出的特点就 是：运行速度快和数据处理能力强。因此，在语音视频编码解码，加密解密等需 要大量运算的领域中，越来越受到人们的青睐。 在此，简单的回顾d s p 的发展轨迹和通用d s p 芯片的特点。 d s p 的发展轨迹： 第一阶段，任何技术往往是先提出理论然后才付之实践，d s p 也不例外，它的 理念和算法是在上个世纪七十年代提出的，这是发展的最早时期。 第二阶段，开始应用，并快速占领市场的阶段。上个世纪八十年代出现第一 款d s p 芯片。从此，凭借其自身的技术特点，不断发展。如今，它在编码解码和 语音合成领域的优势是其它同类嵌入式处理芯片无法比肩的。并且在这个时期， 它的运算速度在不断的加快，渐渐成为了图象处理，语音处理的硬件基础。并不 断的向其它领域渗透。 第三阶段，在这个阶段出现了四代以及五代器件，d s p 的应用市场更为广泛， 运用更为普通，已经渗透到人们的日常消费领域，而不再仅仅是高新技术领域。 在这个时期，各式各样的s o c 产品已经采用了它的理论和架构。 但是，无论在那个发展阶段，它们都有一个共同点：性能，价格，功耗是不 断追求的共同目标：追求更高的速度，更大的规模，更小的工艺，更便宜的价格， 更大的存储空间。 尽管市面上d s p 种类繁多，但是它有自己共同的特点，总结如下： 哈佛体系结构( h a r v e r d ) ：使用两套总线，程序总线和数据总线，并且将程 序和数据分别存储在不同的存储空间中，程序的执行使用程序总线，数据的传输 使用数据总线。 流水操作：流水操作是一种可以极大提升运算速度的方法，将指令分为取址， 译码，执行等微操作，并将这些操作设计成可以重叠运行的，从整体上减少指令 的执行周期，很大的提高了处理器的性能。 有专用硬件乘法器：这个特点在很大程度上决定了d s p 在信号处理领域的地 位。与通用处理器上使用软件来做乘法的方法相比较，这在很大程度上的提高了 芯片的计算能力。 可以依据需求配置专用的d s p 指令，这使得d s p 更加灵活，适应性也更强。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 1 5 音频解码器设计方案及芯片选择 1 设计方案分析 从软硬件的角度看，音频解码系统的设计方案，可以分为： ( 1 ) 纯硬件设计方案。就是所有的解码算法和解码流程都使用硬件电路实现， 即纯粹的硬件解码。这样的方案解码速度当然是最快的。但是，这样做成本太大， 不划算。嵌入式系统的优势就在于软硬件的可裁剪性，使得系统尽量优化，既满 足要求，又将成本降到最低。所以，本课题摒弃这种设计方案。 ( 2 ) 纯软件设计方案。即基于某个通用平台，完全使用软件解码( 硬件上不 会有特殊的乘法运算单元或者其它的硬解码加速器) 。这又是和纯硬件解码完全 相反的另一个极端。可想而知，这样的方案，解码效率当然十分的低下。 ( 3 ) 软硬件协同设计方案。这是目前嵌入式系统领域最流行的设计方案。因 为，它既可以充分发挥现有硬件设备的功能，又可以通过软件来降低成本。 综合上面的分析，本课题组决定采用软硬件协同设计的方案。 2 解码芯片的选择 在嵌入式系统中，嵌入式微处理器或者微控制器，可以说是整个系统的大脑 和心脏，嵌入式系统的设计必须要紧紧围绕它进行。所以，合理地选择系统所使 用的处理器芯片是十分关键的。目前在嵌入式领域，可供人们选择的嵌入式微处 理器不仅种类繁多，而且十分齐全。这些处理器各有优势，不同的应用领域，选 择的芯片就会不一样。 首先，列举一些当今主流的嵌入式处理器： ( 1 ) 单片机：又称为单片微控制器。通俗的讲，就是将一个小型的计算机系 统集成到一块芯片上。 ( 2 ) a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，是微处理器行业的一家无人不晓的知名 企业。a r m 架构是一款面向低预算市场开发的r i s c 微处理器。 ( 3 ) m i p s ：m i p s 自从投放市场以来，以其优越的性能获得广泛好评。它采用 精简指令系统计算结构，设计更简单、开发的厨期短，可以更快的应用更多先进 的技术。 ( 4 ) d s p ：凭借其出色的运算能力，成为信号处理领域最受青睐的处理器芯片。 除此之外，a m l 8 6 8 8 、p o w e r p c 等也是当前广泛应用的嵌入式处理芯片。 本课题的研究对象是音频解码技术。音频解码需要处理大量的数据，其运算 量很大，所以本课题选择d s p 作为核心的解码芯片。 6 1 2 己的 准。 的消 如今的社会人们已经难以离开各种多媒体技术。所以，研究一种合理的成本 低的音频解码系统有着十分重大的现实意义。嵌入式系统的种种优点符合了这些 要求。 目前，在所有的音频标准中，d o l b ya c 一3 应用最广泛。这个标准推出后就受 到广泛的关注。并被迅速应用到各个领域：在消费领域，各种播放器等数字音频 设备相续出现；多国采用它作为数字电视，广播节目的音频标准；它被大量的应 用在网络上；是各种音频存储的可选格式之一。总之，它在不断的影响着人们的 日常生活。 并且，a c 一3 涉及到的解码算法十分具有代表性，具有很高的研究价值。它在 使用许多经典的音频压缩算法的同时融入的许多最新的技术。这些技术都代表着 音频领域的许多经典理念，a c 一3 将它们付之实践，并取得了良好的效果，具有极 高的研究和借鉴价值。所以，许多音频领域的工作者正以此为依据做各种开创 性的工作。 音频设备的特点，决定了它与嵌入式设备是可以完美结合的。因为，嵌入式 设备可裁剪小型化的特点满足了便携式的要求；可专门定制的处理核满足了音频 解码需要大量运算的要求；配置灵活的特点满足了降低开发成本的要求，并且开 发周期短，可以及时使用各种先进技术和快速的占领市场。 正因为具有较大的应用价值和研究的意义，本课题努力探索一种在嵌入式平 台下的a c 一3 解码方案。 1 3 本人的任务 本论文在分析音频解码系统的技术和应用背景后，依据本课题组提供的一套 专用嵌入式平台，设计一套可行的音频解码系统的实现方案；然后，逐步展开分 析，最后实现解码功能。 在本论文中，本人主要负责软件部分的分析与实现，具体说包括：1 分析 7 电子科技大学硕士学位论文 d 0 1 b ya c 一3 的解码算法。2 分析解码算法的c 实现并将正确的a c 一3 解码代码抽 取出来，以此为解码的验证依据。3 根据硬件组给出的d s p 架构和指令集编写汇 编代码。4 解码的功能性验证。5 部分优化工作。 1 4 论文的内容安排 本论文共分七章。 第一章为绪论。首先描述与本课题相关嵌入式技术和音频解码系统的背景， 包括：嵌入式系统的基本概念，介绍当今主流的音频解码标准，其中重点介绍a c 一3 。 然后，介绍本人的主要任务和论文章节安排。 第二章，分析音频解码技术的基本原理，主要包括：编码解码的基本概念和 基本的音频压缩技术两部分。 第三章，阐述本系统的整体设计方案，包括本课题组所用平台的硬件总体架 构和软件设计，由于本人负责的是软件部分，所用侧重点在软件设计部分。 第四章，分析a c 一3 音频解码标准中的解码算法以及c 语言实现。理论与实现 相结合，分析算法的同时，给出具体的c 实现。本论文侧重的是软件实现，由于 在整个解码流程中有些模块是使用硬件解码器实现的，对于这部分只做简单介绍。 第五章，由于本课题所使用的嵌入式平台的特殊性，需要使用汇编语言编写 程序。这章重点介绍c 到汇编实现过程中的关键点及数据流图，并给出验证结果。 第六章，对解码程序的优化分析和具体实施。 第七章，对本文进行总结，同时提出系统需要改进的地方。 8 第二章音频解码技术分析 第二章音频解码技术分析 研究人员可能会接触到很多不同的音频标准，它们各自都有一套完整的编码解 码方法。但是，万变不离其宗，这些标准中用到的基础的声学概念和编码解码技 术的原理是一样。因此，本章节将介绍这些基本的声学概念和一些基础的音频压 缩技术理论。 编码和解码是密不可分的，编码方式的不同，解码肯定就会有所差别。所以， 本章的重点虽然是解码技术，但同时也将会涉及到一些编码的理论。 2 1 关于解码的基本概念 记录自然界中各种各样的声音是一个极其复杂的过程。有模拟的方式，也有 数字的方式，数字的方式是目前研究的方向。但是数字信号是离散的，而声音却 是连续。它们之间必须要通过某种变换来建立起联系。这就需要一套完整的理论 与工程方法，这就涉及到很多的概念。 声音是以能量波的形式存在的，所以它肯定也与其它的能量波一样有振幅、频 率等特性。因为，声波是连续的，无限光滑的，而信息的存储不可能是无限大的， 这本身就是一种矛盾。所以，理论上无论精度多高数字信号在编码过程中也是有 信息丢失的，数字信号只能无限的逼近真实的信号；至于逼近到什么样的程度， 可以通过采样频率和采样大小从侧面得到一定的反映。 在声音一个振幅内只要取两个点就可以还原出声波的波形。所以，相对人耳来 说，采样频率必须是4 0 k s 以上，这是由人耳的声学特性决定的( 因为人耳能感 受到的声波的最高频率是2 0 k s ) 。 要想将声音的波形还原回来，在编码的时候，除了频率外，还得将声波的能量 ( 即声波的强度) 记录下来。这就涉及到量化精度的问题。数字信息只能使用一 定的精度对声音的强度进行量化，然后存储起来；量化精度越高，还原的声音越 逼真，当然越浪费存储空间。这个量化精度通常也叫做采样大小。 综合以上，可知在数字领域，声音只能无限的逼近原声。如果要想从数字信号 中更加逼真的声音，可以提高采样大小。 在数字音频领域经常听到有损与无损指的概念。 9 电子科技大学硕士学位论文 依据上面对采样频率与采样大小的分析，可知再好的数字音频编码系统也不能 做到完全的记录自然界的声音，而只能不断的逼近原声。换句话说，就是只要对 声音进行的数字化处理，必定会损失掉原声的部分信息，这就是有损。无损的概 念是相对的。在数字音频领域，p c m 编码是声音保真程度最高的编码方式，号称天 籁之音。当然，它就需要更多的数据存储空间。在很多需要高保真的应用场合一 般都使用这种音频编码方式，例如音乐欣赏。正因p c m 编码是最能接近原声的编 码方式，所以研究人员为了与其它的编码方式做比较，常称它为无损的编码方式。 注意，这不是说p c m 编码能完完整整的还原出原声来，仅仅是为了说明其能得到 的音质是最好的。相对于p c m 编码，其它的编码方式都是有损的编码。 使用音频压缩技术的原因。这可以通过做一个运算来说明问题，简单的计算 p c m 码流码率的方法是：声道数目乘上采样频率得到的值再乘上采样大小。假设这 样的一种情况：两个声道，采样率是4 4 1 k h z ，采样大小为8 b i t 。通过上面的计 算方法，得到2 木4 4 1 k 木8 = 7 0 5 6 k b p s 。可知这种情况下数据带宽为7 0 5 6 k b p s 。 即这种要求下，存储一秒钟的p c m 音频信息需要的存储空间是7 0