（控制理论与控制工程专业论文）基于omap5912的车载音频系统.pdf

浙江人学顼上学位论文 摘要 随着汽车技术的发展以及微处理器技术的不断进步，嵌入式系统在汽车电子 技术中得到了广泛应用。本文着重介绍了适用于车载环境的嵌入式音频系统，该 系统基于o m a p 5 9 1 2 的双核架构，具有很强的扩展功能。 o m a p 5 9 1 2 是为满足下一代嵌入式设备的处理需求而推出的款高度集成 的软、硬件应用平台，采用独特的双核结构，将d s p 和r i s c 技术有机结合，可 以提供语音所需的运算密集的信号处理能力，以及系统层操作所需要的通用性 能，是语音应用的理想平台。 本课题来源于企业的实际项目，目标是开发一套基于o m a p 5 9 1 2 的汽车信 息娱乐系统，系统包括m p 3 播放、短距无线对讲和v o i p 等三个子系统。本文给 出了m p 3 音频子系统的设计与实现。 论文首先从汽车嵌入式系统出发，给出了课题的研究背景以及系统架构，并 着重介绍了o m a p 5 9 1 2 处理器和多媒体音频压缩技术；接着介绍了系统的硬件 平台和软件体系结构，主要包括o m a p 5 9 1 2 的a r m 9 2 6 e j s 和t m s 3 2 0 c 5 5 x 内 核，d s p 屉i o sl i n k 技术以及其它相关技术，对于音频系统的开发流程给出了 详细的说明。在对m p 3 ( m p e g 一1l a y e r 3 ) 音频压缩算法深入理解的基础上，论 文给出了基于双核架构的m p 3 解码算法的设计与实现，对于g p p 端和d s p 端的 程序设计，解码算法的封装以及双核之间的通讯等技术进行了介绍。最后总结了 本文的工作，并对课题今后的深入研究方向作了展望。 关键词：嵌入式系统；解码；o m a p ；m p e g ；d s p ；m p 3 ；d s p ，b i o sl i n k 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i mt l l ed e v e 】o p m e n to fa u t o m o b i l ea i l dm i c m p r o c e s s o rt e c h n o l o g y ，e m b e d d e d s y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di na 1 j t o m o b i l ee l e c t r o n i c s 1 、h i st h e s i sf o c u s e so nt h e e m b e d d e da u d i os y s t e md e s i g n e df o ra u t o m o b i l ee n v i r o m e n t 1 1 l es y s t e mi sb a s e d o nm ed u a l c o f ea r c h i t e c t u r eo f o m a p 5 9 1 2 ，a i l de a s i l yt ob ee x t e n d e d o m a p 5 9 1 2i sah i 曲l yi n t e g r a t e d h a r d w a r ea 1 1 ds o r w a r ep l a t f o n n ，w h i c hi s d e s i g n e dt om e e tt l l en e e d so f n e x t g e n e r a t i o ne m b e d d e dd e v i c e s ，w i t ht h ea d v a n t a g e o fi n t e g f a t i o no fb o t l ld s pa 1 1 dr i s ct e c l l l l 0 1 0 9 i e s ，t h ed u a l - c o r ea r c h i t e c t u r ei s c 印a b l eo fp r o c e s s i n gh e a v yd a t a ，p m v i d i n gg e n e r a la b i l i t yo fs y s t e mo p e r a t i o na l l d r e a l l y 打n i n gf o rt l l ed e v e i o p m e n to fa u d i oa p p l i c a t j o n t h es y s t e mi s d e s i g n e dt o r e a 】i z ea ne n t e r t a m i n e n ts y s t 锄f o ra u t o m o b i l e e n v i r o n m e n t ，w h i c hi sb a s e do no m a p 5 9 1 2 n e r ea r et 1 1 r e es u b s y s t e m si ni t ，t 王1 e d e c o d i n go fm p 3 ，i n t e 神o n ea i l d v o ip t h i st h e s j sf o c u s e so nt h ed e s 咖a n d r e a l i z a t i o no f t h em p 3d e c o d es u b s y s t e mo no m a p 5 9 12 f i r s t l y ，t h i sm e s i si n d u c e st h ea u t o m o b i l ee m b e d d e ds y s t e m ，a 1 1 dm e b a c k g r a n do ft h ep r o j e c t ，t o g c t l l e r 、撕t l lt h es y s t e ma r c h i t e c h t l _ eo ft h ea u d i os y s t e m t h e no m a p 5 9 1 2p r o c e s s o ra n dt h em u l t i m e d i aa u d i ot e c l l t l 0 1 0 9 ya r ep r e s e n t e d t h e h a r d w a r ep l a t f o 咖a n dt l l es o n w a r ea r c h i t e c t u r eo f t h ed u a l c o r es y s t e mi s 柚a l y s e di n d e t a i l ，i n c l u d i n ga i 州9 2 6 e j - s ，t m s 3 2 0 c 5 5 xa 1 1 dd s p ，b i o sl i n k 1 1 1 et h e s i sa l s o p r e s e n t st l l ea l g o r i t l l 啪o fa u d i oc o d ea n dd e c o d ei nm p e g 一1l a y e r3 ，a n dm e r c a h z a t i o no ft h ed e c o d e n e x t ，m es o f h v a r er e a l i z a t i o no f 也ea u d i os y s t e mi sg i v e n i nd e t a i l ，a i l dr f 6i si n t r o d u c e da l s o t h el a s tp a ni st 1 1 ec o n c l u s i o no ft h i st l l e s i sa n d s o m es u g g e s t l o n sf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n t k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，d e c o d e ，o m ap m p e g ，d s p ，m p 3 ，d s p ，b j o sl i n k 浙扛大学硕士学位论文第一章概述 第一章概述 【摘要】本章首先介绍了嵌入式系统的基本概念以及汽车嵌入式系统，在此基础上引出 开放式多媒体应用平台o m a p 。晟后给山了课题的研究背景和本文的主要内容。 【关键词】汽车电子；嵌入式；音频；o m a p 1 1 引言 近几年来，随着我国汽车工业的迅速发展，汽车电子产业也快速地成长起来， 成为汽车市场发展的主要动力。目前的汽车电子产品主要包括安全系统、网络系 统和信息娱乐系统三大类，其中以信息娱乐系统涉及的技术最为复杂，功能也最 为丰富，能够直接面对用户，为他们带来视听享受和资讯便利。 语音功能为用户提供自然的输入和输出方式，比其他形式的“o 更为安全， 尤其是当用户在开车期问。在大多数的应用中，语音都是键盘和显示器的理想补 充，而并不是它们的替代品。为语 x 浙江人学硕上学位论文 第一章概述 音所需要的算术集中的信号处理能力，同时还可提供系统层操作所需要的通用性 能。 1 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是阻应用为中心，以计算技术为基础，软 件硬件可剪裁的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合 性要求的专用计算机系统【”。它是一个技术密集，资金密集，高度分散，不断创 新的基于硅片的知识集成系统。 今天的嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电 子、医学科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌 入式技术的发展，嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面。 1 2 1 嵌入式系统组成 嵌入式系统一般指非p c 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器 ，微处理器、存储器及外设器件和i 0 端口、图形控制器等；软件部分包括操作 系统软件( 要求实时和多任务操作) 和应用程序编程。前者是整个系统的物理基 础，它提供软件运行平台和通信接口；应用程序控制着系统的运作和行为，而操 作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等几大部分组成了基 本的嵌入式系统，如图1 1 所示。 图1 一l 典型嵌入式系统基本组成 其中嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它通常把通用计算机中许多由 浙江人学硕士学位论文 第一章概述 板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并且 保证系统的高效率和高可靠性。3 2 、6 4 位微处理器是丑前的主流。 嵌入式系统的开发必须将硬件、软件、人力资源等因素集成起来，并进行适 当的组合以实现目标应用对功能和性能的需求。在开发过程中，实时性能常常与 功能一样重要，这就使得开发所需要关注的方面更广泛，要求的精度也更高。图 1 2 是嵌入式系统的基本开发流程。 图1 2 嵌入式系统开发流程 1 2 2 嵌入式系统特点 嵌入式系统的一个特点就是“专用”，比如我们平常使用的空调、冰箱等都有 嵌入式产品嵌在里面，用于某一参数的计算监测。通常的嵌入式系统具有如下几 个重要特征： 1 系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相 对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。 2 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常 紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。 3 ，系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求 其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现 系统安全。 4 高实时性o s 。这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以 提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。 浙江人学硕士学位论文 第一章概述 5 嵌入式软件开发走向标准化。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直 接在芯片上运行。为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家 库函数接口，用户必须自行选配r t o s ( r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台， 这样爿+ 能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 1 2 3 嵌入式系统发展趋势 在市场和技术进步的双重推动下，嵌入式系统技术未来的发展，将呈现出以 下几点趋势： 1 可靠性及应用水平越来越高，和互联网连接已是明显趋势。为适应嵌入式 分布处理结构和应用上网需求，嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信 接口，同时也需要提供相应的通信协议软件和驱动软件。 2 j 、尺寸、微功耗和低成本。为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应 降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软 件设计技术要求。 3 提供精巧的多媒体人机界面。 4 无所不在的智能。它是指一种嵌入了多种感知和计算设备，并根据上下文 识别人的身体姿念、手势、语音等，进而判断出人的意图，并做出相应反映的具 有适应性的数字环境，它通过智能的、用户定制的内部互联系统和服务制造理想 的氛围，完成理想的功能，从而有效提高人们的工作和生活质量。 1 3 汽车嵌入式系统 随着汽车技术的发展以及微处理器技术的不断进步，嵌入式技术在汽车电子 技术中也得到了广泛应用。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革 命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志。与嵌入式微处理 器的发展类似，汽车嵌入式系统也可以分为三个发展阶段”。 第一阶段：s c m ( s 抽g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 系统。以4 位和低档8 位微处 理器为核心，将c p u 和外围电路集成到一个芯片上，配置了外部并行总线、串 行通讯接口、s f r 模块和布尔指令系统。硬件结构和功能相对单一、处理效率低、 存储容易、软件结构也比较简单，不需要嵌入式操作系统。 这种底层的汽车s c m 系统主要用于任何相对简单、数据处理量小和实时性 要求不高的控制场合。 4 浙江火学硕士学位论文第一章概述 第二阶段：m c u ( m i c mc o m r o l l e ru n i t ) 系统。以高档的8 位和1 6 位处理器 为核心，集成了较多外部接口功能单元，如d 转换、p w m 、看门狗、高速i 0 门等，配置了芯片问的串行总线；软件结构比较复杂，程序数据量有明显增加。 第二代汽车嵌入式系统能够完成简单的实时任务，目前在汽车电控系统中得到了 最广泛的应用。 第三阶段：s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 系统。以性能极高的3 2 位甚至6 4 位嵌入 式处理器为核心，在对海量离散时间信号要求快速处理的场合使用d s p 作为协 处理器。为满足汽车系统不断扩展的嵌入式应用需求，不断提高处理程度，增加 存储容量与集成度。在嵌入式操作系统的支持下具有实时多任务处理能力，同时 与网络的祸合更为紧密。 汽车s o c 系统是嵌入式技术在汽车电子上的高端应用，满足了现代汽车电控 系统功能不断扩展、逻辑渐趋复杂、子系统问通信频率不断提高的要求，代表着 汽车电子技术的发展趋势。汽车嵌入式s o c 系统主要应用在混合动力总成、汽 车定位导航、车辆状态记录与监控等领域。 1 4 开放式多媒体应用平台o m a p 移动通信的发展对数字信号处理器提出了越来越高的要求，为了满足移动通 信和多媒体领域新应用的需要，德州仪器( t i ) 公司提出了丌放式多媒体应用平 台0 m a p ( 0 p e nm u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n sp 1 a t f o 咖) 体系结构，并为此设计了0 m a p 芯片。 o m a p 是一种典型的双核嵌入式处理器。对于双核、多核处理器的开发应 用系统重构和芯片架构设计是近年来嵌入式系统行业的前沿技术之。 1 4 1o m a p 技术概述 0 m a p 是t i 公司为满足新一代多媒体信息处理以及第3 代无线通讯应用开 发出来的性能优越的高集成度嵌入式处理器。t i 在1 9 9 8 年就推出了可扩展的开 放式o m a p “处理器平台，堪称是无线世界发展的里程碑。1 r i 的0 m a p t “平台 提供了语音、数据和多媒体所需的带宽和功能，可以极低的功耗为高端2 5 g 和 3 g 无线设各提供最高的性能。它支持所有类似的高级操作系统，无需任何新的 编程技能便可提供无缝访问其高性能d s p 算法的能力。 o m a p 平台具有可扩展、灵活而开放的构架，长期以来一直以最佳性能和 浙江大学硕士学位论立 第一章概述 极低功耗i 面著称。使用该平台设计的2 5 g 和3 g 手机可以实现多种应用，如语 音处理、视频流、电视会议、高保真音频、定位服务、安全性、游戏、移动商务、 个人管理等多媒体应用。 该平台的技术优越性主要体现在其采用了”内核软件技术”，这种技术的优势 有以下两个方面：首先，为加速信号处理的速度，0 m a p 平台的内核软件组件 允许应用程序利用数字信号处理器，从而提高终端应用性能。凭借优化的底层软 件，d s p 能以极低的功耗方式执行这些信号处理任务，从而能够延长电池使用寿 命，并可实现更小的产品体积。其次，o m a p 平台可使应用程序开发人员无须 深入了解d s p 基础硬件架构或算法即可利用这些高级功能。开发人员可以通过 易于使用的高级应用程序接口( a p i ) 方便地获得d s p 加速算法，相同的a p i 集可 运行于各种具有或不具有d s p 的o m a p 平台上，从而可以提高代码的使用频次， 使同样的代码应用到不同的设备中。 1 4 2o m a p 特点 开放式结构。对独立的应用程序，销售商们开放了无线应用程序的编程 领域，使得他们可以很容易的实现各种应用。同时因为0 m a p 的开放 式结构具有标准接口，鼓励第三方在其上进行更多的应用开发或增加新 的功能，所以有利于软件的重复使用。目前有很多的第三方开发公司， 专门进行无线多媒体算法研究和应用程序的开发。 可编程性。允许无线设备厂商在应用标准变化或发现错误时，独立于应 用开发者和中间环节，提供可下载的软件升级。同时厂商可以在不改动 硬件基本结构的前提下，实现对已有系统功能的强化，加入新的功能， 或者基于现有基础开发下一代产品以不断适应新的市场需求。 1 4 3o m a p 5 9 1 2 处理器 o m a p 5 9 1 2 处理器，是由t i 应用最为广泛的1 m s 3 2 0 c 5 5 x d s p 内核与低功 耗、高性能的a r m 9 2 6 e j s 微处理器组成的双核应用处理器。c 5 5 x 系列可提供 对低功耗应用的实时多媒体处理的支持；a r m 9 2 6 可满足控制和接口方面的处理 需要。基于双核结构，o m a p 5 9 1 2 具有极强的运算能力和极低的功耗，一方面， 产品性能高、省电；另一方面，同其它o m a p 处理器一样，采用开放式、易于 开发的软件设施，支持广泛的操作系统。基于o m a p 5 9 1 2 的典型应用如图l 一3 浙江大学硕十学位论文第一章概述 1 6 本文结构与主要内容 本课髓驱位指令集攀藕嚣夔霾鬟萋鬻矍；爱篓萄玎鬻国翥雾嘞要珏黜! 辖栏损强型塞受吖譬骠i 篁森篓著蔫喾灞娑的； 弼鞲；鬟雨型讳轨椎鸶墼葡羹 攀妻呲萋鐾i l i * ；霪毳萋型羹羹鎏萌澍割孰蓦掣甄羹，鎏扭墼嚣m 捌错莲乍萋雾蠢一； 嗣& i f ! i 书甜不痛。 旧嘲州罐羹鬻塑囊瞥雾剥蓑叫j 乒一蛩篓鎏籀m p u 外设； 具有较多的公共外设：8 个通用计时器、串口、3 个u a r t 、1 2 c 总线的 主从接口、多媒体卡( m m c ) 和串行数据( sd ) 接口、多通道缓冲串 口( m c b s p ) 、“个通用功能的输入输出(g p i o ) 、3 2 k h z 的同步时钟； 加密函数的硬件加速器，包括随机数生成、de s 、3 d e s 、s h a l 、m d 5 供检查、调试和仿真的j 1 a g 口等等。 可以看出，0 m a p 5 9 1 2 设备包括m p u 子系统、d s p 子系统、存储器通信控 制器、通用功能外设、专用多媒体应用( m m a ) 外设以及其他外部接口。其中， m pu 子系统是该多媒体应用平台的核心。 2 1 2 开发流程 。芝黑懋懋竺s瑟纂髫咖叠渤涩溜淼 嘲删嘲眇f 赢黧潞脚”翟嗣墓嚣冒” d o柚l o p m 妊牲 - 蕊甬丽茜面磊；毫蕊e m 帚 丛b墨= 垒垒曼璺塑璧幽整堕魅a 蝴鼬删 f am 嘲a ri d $ e 删沁n m e n ta c e e 番st om e a rm 嘏l 娃始协o i s t m s 3 2 0 g 尊毒瓣。 d 8p m 浙江大学硕i 。学位论殳第二苹车载音频系统架构 第二章车载音频系统架构 【摘要】本章介绍了该音频系统的整体框架，并对硬件和软件的核心部分o m a p 5 9 1 2 处理器和多媒体音频压缩技术进行了较为详细的说明，最后介绍了该系统的开发流程。 【关键词】o m a p 5 9 】2 坝核音频m p e g 根掘实际项目需要，本文为满足具体需求设计了一种基于o m a p 5 9 1 2 的车 载音频系统，该系统框图如图2 1 所示。音频文件可以通过c d m a 方式f 载， 或者用户通过u s b 接口、c f 卡提供，并存储到本地f l a s h 中。o m a p 5 9 1 2 中 的a r m 9 2 6 内核主要负责提供操作系统、用户界面和高级应用，进行实时多任 务调度管理，以及对d s pc 5 5 x 进行控制和通信。d s p 核适合语音应用所需要的 实时信号处理功能，主要负责实现复杂的多媒体信号处理。将经过解码处理的信 号进行d a 转换和功率放大，进一步输出到耳机等输出设备。音频文件按照 m p e g - 1l a y e r - 3 标准进行解码。下文将着重对硬件和软件的核心部分 o m a p 5 9 1 2 处理器和多媒体音频压缩技术进行说明。 图2 一l 系统框图 2 1u m a p 5 9 1 2 o m a p 5 9 1 2 是一款高度集成的硬件和软件平台，是为满足下一代嵌入式设 备需求而设计的双核芯片。相对于单核结构，一个明显优势就是可以大大提高操 作系统的效率，延长电池寿命；t i 独特的d s p b i o sl i n k 允许开发者在r i s c 核d s p 之间优化分割各项任务，在不增加功耗的前提下获得更加优良的性能， 成功实现了性能与功耗的最佳 x 浙江大学硕士学位论文第二二章车载音频系统架构 对于实时处理密集型任务及控制功能这两项任务，若单凭一个r i s c 处理器 来执行，这两项任务均会受到损坏。只有把适合的任务交给适合的处理器才能发 挥最佳性能。o m a p 5 9 1 2 通过对实时密集型任务及控制功能进行优化，将适用 于协调与控制的a r mr i s c 处理器与适宜计算密集型信号处理任务的d s p 集成 在一起，既可发挥各自的优势独立工作，又可通过处理器之间特殊的通信机制协 调处理，从而发挥整体的最大效能，达到完美的统一。 该处理器支持多种实时多任务操作系统如l i n u x 、w i n d o w sc e 等在微处理器 ( a r m ) 上工作，操作系统可以对系统下的任务提供调度机制，使用实时调度算法 完成调度任务：操作系统还提供内存管理界面，用以简化任务中需要的操作。在 使用操作系统之后，可以方便的定制任务，并与操作系统一起发布到系统中，成 为完整的嵌入式系统 x 浙江大学硕上学位论文第二章车载音频系统架构 立以及应用程序的开发，d s p 端数据处理算法的实现和性能验证，最后是真个系 统的软硬件调试。 由于o m a p 技术出现的时问不是很长，国内从事该技术的研究人员不多， 相应的可以参考的技术文档更是少之甚少，这给课题的研究带来了很大的挑战， 对于该平台的熟悉和掌握也成为非常重要的环节。 2 1 3 应用领域 由于0 m a p 的出色表现，十几年来，该开发平台一直得到世界主要移动设 备制造商的青睐。o m a p 平台通过支持s v m b i a no s 、m i c r o s o f ip o c k e t p c2 0 0 2 及w i n d o w sc e ；p a l m0 s 、l i n u x 、j a v a 、a r mi n s t r u c t i o ns e t 及c c + + ，为软件 应用开发商提供了易于使用的开放式编程环境。 0 m a p 5 9 1 2 的应用领域包括： 各种应用处理设备； 移动通信设备如w a n 8 0 2 1 1 x 、蓝牙无线技术、g s m 、g p r s 、e d g e 、 c d m a 等； 视频和图像处理( m p e g 一4 ，j p e g ，w i n d o w s 媒体视频等) ； 高级语音应用，如m p 3 ，a m r ，w m a ，a a c 以及其它g s m 中的语音编解 码器； 图形和视频加速处理技术； 通用网络访问； 数据处理如传真、签名、身份确认等。 2 2 多媒体音频技术 语音被用来传递消息、意向、情感，是人类最自然的消息传递方式。音频携 带的信息量大、精细、准确。随着多媒体信息处理技术的发展，计算机数据处理 能力的增强，音频处理技术备受重视，并得到了广泛应用。 随着网络时代的到来和办公自动化的日益普及，越来越多的信息正以文字的 形式存在。但受车载环境的限制，用眼睛来阅读文字信息无论对司机和乘客都存 在极大不便，因此语音技术的应用就显得尤为重要了。 最常用的数字声音存储方式是p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ，脉冲编码调制) 技术。p c m 技术简单地将模拟的声音信号用固定的采样频率和固定的量化比特 13 浙江大学硕士学位论文 第= 章车载音频系统架构 数进行量化。对于常见的裔频信号，c d 质量的音频信号相当于4 4 1 k h z 采样，采 用1 6 位量化。如果用简单的p c m 量化方案，数字音频的数据量是很大的。 组 立体声数字音频的数据量将会达到4 4 1 + 1 6 + 2 k b p s 。如果采用这样的音频文件在 互联网上传输，需1 4 m b p s 的带宽，存储4 分钟的音频文件则需要4 0 m 的存储空间。 互联网或者各种通信网络都面临带宽和存储空间的限制，所以对数字音频信号的 压缩技术的研究是非常必要的。 2 2 1 音频编码技术 音频编码的目的在于压缩数据。通常数据压缩会导致音频质量的下降和计算 量的增加。因此，人们在实施数据压缩时，需要在音频质量、数据量、计算复杂 度三个方面进行综合考虑。 为了实现音频数据压缩，多领域的专家致力于算法的研究，国际标准化组织 也先后推出一系列建议。高质量高效率的音频压缩技术广泛地应用于多媒体应 用、音像制品、数字广播、数字电视等领域。对于音频编码可以进行如下分类【4 j 。 基于音频数据的统计特性进行编码，其典型技术是波形编码。 其目标是使重建语音波形保持原波形的形状，p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 是最简单最基本的编码方法，它直接赋予抽样点个代码，没有进行压缩，因而 所需的存储空间较大。为了减少存储空间，人们寻求压缩编码技术，利用音频采 样的幅度分布规律和相邻样值具有相关性的特点，提出了差值量化( d p c m ) ，自 适应量化( a p c m ) 和自适应差值量化( a d p c m ) 等算法，实现了数据压缩。波形编 码适应性强，音频质量好，但是压缩比不大，因而数据率较高。 基于音频的声学参数，进行参数编码，可进一步降低数据率。 其目标是使重建音频保持原音频的特性。常用的音频参数有共振峰、线性预 测参数、滤波器组等。这种编码技术的优点是数据率低，但还原信号的质量较差， 清晰度低。 将上述两种编码算法很好地结合起来，采用混和编码的方法，这样就能在较 低的码率上得到较高的音质。如码本激励线性预测编码( c e l p ) 、多脉冲激励 线性预测编码( m p l p c ) 等。 基于人的听觉特性进行编码。 从人的听觉系统出发，利用掩蔽效应，设计心理声学模型，从而实现更高效 4 浙江人学硕士学位论文第二章车载音频系统架构 率的数字音频的压缩。其中以m p e g 标准中的高频编码和d o l b ya c 3 最有影响。 2 2 2m p e g 标准 m p e g 是动态图像专家组( m o v i n gp i c t u r e se x p e n sg m u p ) 的英文缩写，该 专家组是在1 9 8 8 年由国际标准化组织和国际电工委员会联合成立，负责开发电视 图像数据和声音数据的编码、解码和它们的同步等标准。这个专家组开发的标准 称为m p e g 标准。 m p e g 是世界著名的数字视频和音频压缩的标准化组织，他们于1 9 9 3 年指定 公布了一个国际标准，名为“动态图像和伴音的编码”，用于速率在1 5 m b i “s 以下 的数字媒体。也适用于远程通信以及局域网等。该标准通常称为m p e g l 标准， 所采用的算法简称为m p e g 1 算法【5 】0 由于m p e g 一1 的位速率仅为1 5 m b i “s ，所以 m p e g 组织还指定了m p e g 一2 、m p e g - 4 和m p e g 一7 压缩标准。 m p e g l 音频标准的目的是用较低的比特率来传输接近c d 质量的音频信号， 采样速率一般采用3 2 k h z ，4 4 1 k h z ，4 8 k h z 。虽然是有损压缩，但是m p e g 算法 可以得到无损压缩的效果。m p e g 算法利用了人听觉系统的感知局限，即使用听 力阈值和听觉屏蔽来确定音频信号中与声音无关的部分，并在压缩时将它们去 掉。 m p e g 一1 标准中第3 部分( 1 1 1 7 2 3 ) 定义了音频数据的编码和解码标准。该 标准并没有对所有内容都严格限定，仅规定了编码后的数据码流的句法，这样既 保证了标准对各种解码器的通用性，又给标准的应用性留有很大的发展空问。 该音频标准共包括三层，其复杂度和压缩比是逐层增加的。第n 层是第n l 层 的扩展，并能在保证高音质的前提下降低码速。三层的共同点是，先对采样信号 进行时域到频域的变换，再进行声学模型分析，最后经过量化器产生输出位流。 该标准没有给出详细的编码器定义，但定义了位流的格式，并推荐了一些编码方 法。层次越高，系统的功能越多，编码器和解码器的设计也越复杂。第n 层解码 器能够解码第一层到第n 层的编码数据。编码过程如图2 4 所示。 图2 4m p e g - l 音频编码框图 浙江大学硕士学位论文 第二章午载音频系统架构 l a y e r - l 是最基本的压缩算法，相对来况也最简单。该层使用的比特率为 3 8 4 k b s ，主要用于d c c ( d i 酣a lc o m p a c tc a s s e t t e ) 。层1 每帧包含3 8 4 个样本的数 据，每帧出3 2 个子带分别输出的1 2 个样本组成。它的心理声学模型仪仅使用频域 掩蔽特性。 滤波器组一次处理6 4 个采样样本，这些样本问有5 0 的重叠，即一次对新输 入的3 2 个音频样本滤波，产生3 2 个频段。这些频段再以固定的模式重新格式化成 各个量化块，这是因为这些频段边界与声学模型分析的频段分界点并不一致。使 用的声学模型也比较简单，带有固定的频段边界。 l a y e r - 2 对l a y e r - 1 进行了一些直观的改进，每帧有1 1 5 2 个样本。层2 的复杂度 中等，使用比特率为1 9 2 k b i “s ，主要用于数字广播的音频编码、c d r o m 上的音 频信号以及c d 1 和v c d 。它使用的心理声学模型除了使用频域掩蔽特性外还利 用了时间掩蔽特性，并且在低、中、高频段对比特分配作了一些限制，对比特分 配、比例因子和量化样本值的编码也更紧凑。由于上述措施，因此层2 所需的比 特数减少了，这样就可以有更多的比特用来表示声音数据，音质也比层1 高。 l a y e r 一3 则更复杂，但是音质也最好，使用比特率为6 4 k b i t s ，尤其适用于i s d n 上的音频传输。层3 增加了更多的技术，包括混合滤波器组技术，对各频段能量 的非均匀量化，根据声学模型分析量化频段的自适应分段和量化值的熵编码技术 ( 霍夫曼编码) 。层3 声学模型还考虑了时域屏蔽效果，并具有自适应改变变换块 长度的功能，这种技术可以避免瞬态信号被平滑掉。 三种不同的压缩层次都分级兼容，较高层的每一种实现都必须能够对较低层 的音频信号解码。在m p e g 音频编码的3 种模式中，以层3 的功能为最好，在同样 的音质条件下，需要的数据量最小；在同样的数据量下，音质最好。 m p e g 音频标准的要点概括如下： 音频信号采样频率可以是3 2 k h z ，4 4 1 k h z 和4 8 k h z ： 可以按单声道模式、双一单声道模式、立体声模式或者联合立体声模式 4 种模式之一支持单声道或双声道； 压缩后的比特流具有预定义的几种比特率之一。另外，还应支持用户使 用预定义的比特率之外的比特率： m p e g 音频标准提供3 个独立的压缩层次，用户可以在复杂性和压缩质量 浙江人学硕十学位论文 第二章车载音频系统架构 之间权衡选择； 编码后的比特流支持循环冗余校验c r c ； m p e g 音频标准还支持在比特流中携带附加信息。 2 3 音频系统开发流程 熟悉d s p 开发t 具 建立嵌入式系统工具 建立交叉编译环境 c c s 上1 l 一 上 移植o m a p l i n u x 内核 构建网络文件系统 学习定点d s p 的开发 j r 上 建立嵌入式系统工具 学习c 语言开发d s p 程序 j 上 启动o m a p 音效 并澳试 音频算法研究 熟悉r f 6 框架 0上 建立a r m 与d s p 通讯环境 d s p 七爵频算法实现 j上 尝试双核问通讯螺首油群 n f * f w * f 5 r u o * 土 土 a r m 端相应程序实现 系统联调 上 符合要求?n l 相”“”2 、n “ 图2 - 5 基于o m a p 的开发流程 图2 5 是该音频系统的开发流程。从图中可以看到该音频系统的开发主要可 以分为以下几块的工作： 浙江夫 蘩雾羹篱羹鞘剩器鬻 i 垮哺i 捌m 掣匿裹f 羞幕中存荤囊删挥傍窿，靛雕毫穹j 薹l i 蕞窆j 俐蠢鳘鉴瞻篱 # 矗罂墓琴酬磊到；霹 嚣孽菇塑和望囊曼望当鬟：善菇吝互曩着垦墨瞽。差尊霪暨型= 蓁 # f 斡并麓飞耳唾噌囊黟h 莹： 如唾瞄要薯耋蠡麦妻李& 州趣喜；薹毒箩 窭现檬篌颤静释甚赢菘装蒜种锫箝基芊謇剥列矗紫爨没有软件自开发的能力 ，所以不得不建立交叉开发环境 来设计和调试。 3 a r m 端l i n u x 操作平台的建立。主要包括引导加载程序的创建、l i n u x 操作 系统的移植以及根文件系统的构建。在这个平台上还需要进行双核通讯的研究， 为后续的工作打下基础。 4 ds p 端的软件开发。主要包括对定点d s p 的学习和掌握，对在c c s 环境下 的c 语言开发流程的熟悉，以及对t i 提供的r f 6 框架的理解。 5 对音频算法的研究。从对m p e g 音频压缩算法的理解，到对m p e g ll a y e r 3 的解码算法的实现。 6 结合o m a p 5 9 1 2 的音频解码算法实现。这部分需要将实现的音频解码算法 在0 ma p 5 9 1 2 平台上实现，具体包括算法在c 5 5 x 内核中的实现、将算法封装到音 频软件系统中、系统联调等等。 7 驱动程序的开发。主要设计对c f 卡和液晶模块的驱动程序设计，该部分 内容并没有在图2 5 中体现出来。 2 4本章小结 由于om a p 先进独特的双核结构，该芯片运算处理能力强、功耗低，非常 适合于音频等多媒体信号的处理。本章给出了车载音频系统的架构，并较为详细 地介绍了o m a p 5 9 1 2 处理器的特点和应用领域，以及多媒体音频压缩技术和 m p e曜迹詈蟾隽讼低晨7 牧鞒獭 x 浙江人学硕： 学位论文第三章系统硬件平台 提供给设备更广泛的适应性，更快的j a v a 应用表现性能，并能以有限的功耗和 成本实现出色的代码密度。 为了减少外部存储器访问时问，a r m 9 2 6 e j s 包含了一个指令c a c h e 、1 个 数据c a c h e 以及一个可写的缓存。通常这些对程序执行来说都是透明的【6 j 。另外， 还提供一个写缓冲用于提升内核性能，其缓冲数据容量高达1 7 字。o m a p 5 9 1 2 设备采用了m p u 核a r m 9 2 6 e j s 的小端模式。 垂塑：翌壁壁亟竺! 兰| 玉亘歪圈 图3 1 系统硬件平台 该m p u 核包含以下结构： 一个协处理器1 5 ( c p l 5 ) 和保护模块； 带有查表缓存的数据和程序存储器管理单元( m m u ) ； 独立的1 6 k b 指令c a c h e 和8 k b 数据c a c h e ，并且都是与v t ( v i n u a l i n d e xv i n l l a lt a g ) 4 路交互； 3 1 2 d s p 子系统 3 1 2 1d s p 技术概述 自2 0 世纪7 0 年代d s p 芯片诞生以来，d s p ( d 垮t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 技术得 浙江丈学硕上学位论文 第= 章系统碗件平台 到了b 速发展，性价比不断提高，开发手段也越来越完善。d s p 芯片已经在通信 与电子系统、信号与信息处理、自动控制、航天等众多领域得到广泛应用。 d s p 即数字信号处理器，是一+ 种特别适用于进行数字信号处理的微处理器。 其芯片内部采用程序和数据分丌的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用 流水线操作，提供特殊的d s p 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算 法。d s p 芯片根据数据格式可以分为定点和浮点格式。一般而言，定点d s p 芯 片的价格便宜，功耗较低，但运算精度稍低，如t m s 3 2 0c 5 5 x 系列。 o m a p 5 9 1 2 中的d s p 子系统由下列组件组成： 1 t m s 3 2 0 c 5 5 x ( c 5 5 x ) d s pc p u 核； 2 紧密结合的硬件加速器，可以实现d c m d c t ，运动估计和半象素插补； 3 紧密结合的存储器及接口，包括双寻址r a m ( d a r a m ) 、单寻址 r a m ( s a r a m ) 、可编程动态r o m ( p d r o m ) ，以及指令c a c h e ( i c a c h e ) ； 4 片外存储器接口( e m i f ) ，从而连接了c p u 和外部存储器； 5 6 通道d m a 控制器，从而可以在脱离c p u 干预的情况下实现存储器中 的数据拷贝； 6 通过m p u i ，m p u 和系统d m a 可以实现对d s p 资源进行高宽带的并行 访问； 7 t i p b 桥为专用外设和公共外设提供外部总线。 o m a p 5 9 1 2 中的d s p 子系统基于c 5 5 x 核和其他外设，可以和下列设备建立 连接【7 j ： 通过m p u i ( 微处理器单元接口) 和a r m 9 2 6 e j s 相连接； 通过e m i f ( 外部存储器接口) 和各种标准存储器相连接： 通过t i p b ( t i 外设总线) 桥和各种系统外围设备相连接。 3 1 2 2t m s 3 2 0 c 5 5 x 内核 t m s 3 2 0 c 5 5 x 是t i 公司推出的定点数字信号处理器，是从c 5 4 x 的基础上 发展而来的，其源码与c 5 4 x 完全兼容。与c 5 4 x 相比，其综合性能提高了5 倍， 而功耗仅仅是前者的1 6 。c 5 5 x 采用变指令长度以提高代码效率，增强并行机制 以提高循环效率。c 5 5 x 以其极低的功耗和优越的性能可以在通信、消费电子等 很多领域得到广泛的应用。 浙江大学硕上学位论文第三章系统硬件平台 c p u 采用统一的程序数据存储器结构，共使用6 套总线，包括l 套内部程 序存储器总线和3 套用于读操作的数据总线、2 套用于写操作的数据总线。该内 核主要由4 个功能单元组成：指令单元( i u ) 、程序流单元( p u ) 、地址数据流单元 ( a u ) 和数据计算单元( d u ) 。 其中，指令单元主要实现对指令的装载、分解、排序和解析等处理，其中包 含一个指令缓存单元( 1 b q ) 用于将取指令操作与管道分离；程序流单元在多个 并行的c p u 功能单元之间协调程序操作；地址数据流单元产生数据地址，包含 一个可执行算术、逻辑、移位和饱和运算的1 6 位算术单元；数据计算单元包含 一个4 0 位的算术逻辑单元，两个乘加单元( m a c ) 和一个移位器，是c p u 的 主要计算单元。 为了实现较高的计算吞吐量和快速的指令执行速率，c p u 采用了一系列的 并行总线来访问代码和数据结构，程序地址和数据总线都采用3 2 位寻址。b 、c 、 d 地址和数据总线( 3 个读总线) 使得c p u 可以在每个指令周期访问3 个1 6 位 的操作数。e 、f 地址和数据总线( 2 个写总线) 使得c