陳 俊，王國裕，龔 敏

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗室，成都 610064）

1 引言

相較于傳統(tǒng)的模擬廣播，數(shù)字音頻廣播（DAB）具有音質(zhì)好、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，DAB的普及已經(jīng)成為一種趨勢。DAB標(biāo)準(zhǔn)頒布后，其音頻編解碼方案一直采用MPEG Audio Layer II，出于進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)壓縮率、提高頻譜資源利用率的目的,國際DAB組織在2007年將壓縮比高的MPEG-4 HE-AAC v2引入了DAB音頻標(biāo)準(zhǔn)，稱為DAB+。

MPEG-2/4 AAC作為新一代的音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，以其高壓縮比、重建音頻質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于移動通訊、數(shù)字廣播等數(shù)字多媒體領(lǐng)域。作為一種感知音頻編解碼方案，編碼過程中在頻域產(chǎn)生的瞬時量化噪聲，在解碼過程中會在時域變換塊內(nèi)均勻擴(kuò)散。當(dāng)一個變換塊包含瞬變信號時，量化噪聲在時域的擴(kuò)散尤為突出，會超過人耳聽覺心理聲學(xué)模型中的時域掩蔽閾區(qū)間[2]，造成人耳能夠聽到的噪聲即預(yù)回聲現(xiàn)象，預(yù)回聲是對音質(zhì)的一種嚴(yán)重傷害。為了避免預(yù)回聲現(xiàn)象，在編解碼過程中必須充分考慮量化噪聲的時域特性，盡可能的將其置于語音信號時域掩蔽閾區(qū)間之內(nèi)。增加瞬態(tài)信號編碼位元、自適應(yīng)窗切換、增益控制等技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各種感知音頻編解碼方案中，以消除預(yù)回聲現(xiàn)象[2,3]，但這些技術(shù)在編碼效率、音頻重建質(zhì)量等方面都難以達(dá)到最優(yōu)化。而時域噪聲整形（TNS）技術(shù)只需在標(biāo)準(zhǔn)編解碼器中加入一個處理模塊，通過對頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行線性預(yù)測編解碼，控制量化噪聲在時域的分布，從而有效地抑制預(yù)回聲現(xiàn)象，編碼效率、音頻重建質(zhì)量都能達(dá)到最優(yōu)化。

TNS作為AAC音頻編解碼方案的一個重要工具，能夠顯著提高解碼音頻質(zhì)量，特別是一些變化劇烈的語音信號。針對DAB接收機(jī)中DSP軟件AAC+解碼器功耗大的問題，文獻(xiàn)[1]給出了低功耗的AAC LC解碼器的ASIC設(shè)計方案，本文在此基礎(chǔ)上以極低的硬件資源實(shí)現(xiàn)了TNS全硬件解碼。AAC解碼器中TNS的實(shí)現(xiàn)多采用軟硬件協(xié)同的方式[5,6]，而本文將討論TNS原理、算法以及解碼端全硬件實(shí)現(xiàn)、驗證方案。

2 時域噪聲整形原理

TNS是通過對頻域參數(shù)進(jìn)行開環(huán)線性預(yù)測編解碼來控制量化噪聲的時域分布，使得量化噪聲能跟隨原始語音信號的頻譜包絡(luò)變化，并將其置于時域掩蔽區(qū)間之內(nèi)，使人耳感覺不到噪聲的存在，從而消除預(yù)回聲現(xiàn)象。其原理主要基于以下兩種思想：

（1）頻譜包絡(luò)與時域包絡(luò)的時/頻對偶性：頻域變化劇烈的信號，可對其時域信號進(jìn)行預(yù)測編碼；同理，時域變化劇烈的信號，可對其頻譜信號進(jìn)行預(yù)測編碼；

（2）利用頻域開環(huán)線性預(yù)測編碼（LPC）進(jìn)行時域量化噪聲整形，使解碼端的量化噪聲自適應(yīng)于原始語音信號[2,3]。下面給出利用預(yù)測編解碼整形量化噪聲的原理。

圖1給出了TNS利用開環(huán)線性預(yù)測整形量化噪聲的原理圖，x[k]為編碼端輸入頻譜值，y[k]為解碼端輸出頻譜值，定義重建誤差為r[k]，h為線性預(yù)測參數(shù)。

定義d[k]為頻譜預(yù)測殘差，q[k]為量化誤差，則：

由（4）式可看出，量化噪聲在Z域被傳輸函數(shù)為H[Z]的反向濾波器所整形，使其自適應(yīng)于原始輸入信號包絡(luò)[3]，從而將量化噪聲置于語音信號時域掩蔽區(qū)間之內(nèi)。

圖1 預(yù)測編解碼整形量化噪聲原理圖

在編碼端，分析濾波器組之后對頻譜值進(jìn)行線性預(yù)測編碼，得到預(yù)測殘差信號以及邊界控制信息，如：濾波器級數(shù)、處理頻譜范圍等。在解碼端，根據(jù)相應(yīng)控制信息對預(yù)測殘差進(jìn)行TNS反向（全極點(diǎn)）濾波，濾波器類型為IIR，其輸出方程及傳輸函數(shù)如式（5）和式（6）所示。其中，lpc為濾波器系數(shù)，k為濾波器級數(shù)，均由編碼端決定。

3 TNS解碼優(yōu)化及其硬件實(shí)現(xiàn)

針對TNS解碼算法以及AAC LC核心解碼器整體硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[1]，為實(shí)現(xiàn)合理利用硬件資源、降低復(fù)雜度、提高解碼效率、保證系統(tǒng)低功耗的目的，在TNS解碼硬件設(shè)計中主要基于以下方法完成設(shè)計：

（1）為提高硬件利用率，減小電路規(guī)模，設(shè)計如圖2所示的TNS解碼硬件模塊整體框架。TNS解碼模塊與 HE-AAC v2核心解碼器其他模塊一起共用兩個大小為4096×18bits的RAM、大小為9405×18bits的ROM以及可綜合的專用DSP模塊DSPC。RAM作為各模塊間數(shù)據(jù)交換的中樞，能有效避免復(fù)雜的連線，RAM0與RAM1分別用于存儲左右聲道頻譜值以及解碼過程中一些中間參數(shù)。ROM存放解碼過程中所有需要調(diào)用的表格以及常數(shù)。DSPC是根據(jù)音頻解碼器特點(diǎn)而專門設(shè)計的一個可綜合的DSP引擎,采用流水線結(jié)構(gòu)，包括輸入緩沖單元、乘法器、加/減運(yùn)算單元以及移位寄存器，總線寬度為24bit，能在一個時鐘周期內(nèi)同時完成乘法、加/減以及移位操作，大大提高了運(yùn)算速度，同時24bit的數(shù)據(jù)寬度也保障了運(yùn)算精度，功能由存儲的ROM中的運(yùn)算指令所配置，其結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖2 TNS解碼模塊整體框圖

（2）由于在TNS解碼模塊中所有運(yùn)算數(shù)據(jù)均為浮點(diǎn)數(shù)，為簡化系統(tǒng)復(fù)雜度、節(jié)省硬件開銷，同時保證運(yùn)算精度，在硬件設(shè)計前用Matlab進(jìn)行了浮點(diǎn)、定點(diǎn)模擬并計算出采用不同精度的信噪比，設(shè)定點(diǎn)解碼結(jié)果為fix（x），浮點(diǎn)解碼結(jié)果為float（x），系統(tǒng)信噪比SNR計算如式（7）所示，我們將頻譜值、濾波器參數(shù)等數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為寬度為18bit的定點(diǎn)數(shù)，其系統(tǒng)信噪比可達(dá)98dB以上，完全滿足要求。

圖3 DSPC結(jié)構(gòu)圖

（3）TNS解碼模塊包含以下三個部分：TNS碼流解析、濾波器參數(shù)計算以及TNS反向（全極點(diǎn)）濾波器。碼流解析模塊從傳輸碼流Stream_buf中解出TNS解碼相應(yīng)參數(shù)，包括：濾波器級數(shù)、待處理頻段范圍、反射系數(shù)等，并將其存入RAM0/1中。濾波器參數(shù)計算主要包括量化參數(shù)的反量化以及l(fā)pc參數(shù)的計算。反量化涉及正弦以及移位除法運(yùn)算，在硬件設(shè)計中采取查表的方法實(shí)現(xiàn)，所有反量化結(jié)果僅占用32個ROM地址，相關(guān)參數(shù)組合作為ROM地址偏移量。

（4）在lpc參數(shù)計算過程中，會出現(xiàn)絕對值大于1的溢出情況，解碼結(jié)果會出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。我們近似地將整個反量化表右移1位，可保證所有計算過程不會出現(xiàn)溢出情況，如圖4所示的實(shí)驗結(jié)果表明，這種近似處理與標(biāo)準(zhǔn)算法解碼結(jié)果基本一致，且避免了由于溢出所造成的噪音情況。

（5）在濾波器參數(shù)計算以及TNS反向濾波模塊中，主要涉及乘加運(yùn)算，結(jié)合DSPC的特點(diǎn)，合理設(shè)計運(yùn)算指令，計算所需參數(shù)直接從RAM或ROM中送至DSPC的輸入緩沖模塊。TNS反向濾波器（見式（5））完成一個頻譜值的運(yùn)算僅需order+6（order為濾波器級數(shù)）個時鐘周期，所有運(yùn)算均采用同址運(yùn)算，DSPC輸出結(jié)果覆蓋原始RAM地址的頻譜值。對于AAC LC，TNS濾波器級數(shù)0＜o(jì)rder≤12，針對不同級數(shù)分別設(shè)計TNS濾波器顯然是不現(xiàn)實(shí)的，設(shè)計中我們采用狀態(tài)機(jī)的方式，能夠根據(jù)輸入控制信息，完成所有級數(shù)的TNS濾波處理。

經(jīng)FPGA綜合，該TNS解碼硬件模塊，僅占用873個邏輯單元以及少許的存儲單元，系統(tǒng)時鐘達(dá)到16.384MHz，具有低硬件資源、高解碼效率等特點(diǎn)。選取TNS作用效果明顯的測試矢量（單聲道、采樣率24k、比特率40kbps），進(jìn)行了硬件仿真結(jié)果與軟件解碼結(jié)果對比。如圖4所示，該硬件解碼結(jié)果（下）與采用標(biāo)準(zhǔn)算法的軟件解碼結(jié)果（中）差別細(xì)微，主觀音質(zhì)無差異，相對于不進(jìn)行TNS解碼處理的解碼結(jié)果（上）量化噪聲的均勻分布，其量化噪聲自適應(yīng)于原始語音信號，都能夠很好地抑制預(yù)回聲現(xiàn)象。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)軟件算法與硬件解碼結(jié)果對比

4 FPGA驗證與測試

該TNS解碼模塊作為DAB+基帶芯片信源解碼的一部分，選取TNS作用效果明顯的DAB+節(jié)目作為測試矢量進(jìn)行FPGA驗證與測試，本文采用用兩套驗證測試方案：

（1）測試矢量來自SD卡，經(jīng)MCU送入音頻解碼器，對音頻解碼模塊進(jìn)行單獨(dú)測試；

（2）基于DAB接收機(jī)整機(jī)方案，利用實(shí)驗室自建的DAB發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射DAB+節(jié)目，接收DAB信號進(jìn)行實(shí)時解碼。

FPGA驗證測試方案如圖5所示，采用Altera EP3C120 FPGA開發(fā)板以及片外MCU、RF芯片、SD卡等組建驗證測試系統(tǒng)，并設(shè)置按鍵作為TNS解碼模塊的開關(guān)信號。實(shí)驗結(jié)果表明，TNS對于一些變化劇烈的語音信號音質(zhì)提高發(fā)揮了很大的作用，硬件解碼音質(zhì)令人滿意。

圖5 FPGA驗證測試方案

5 結(jié)論

本文所設(shè)計的TNS硬件解碼模塊在DAB+基帶芯片信源解碼器中成功實(shí)現(xiàn)，充分利用了已有硬件資源，實(shí)現(xiàn)充分共享，在保證了其提高音質(zhì)功能的同時，又從硬件資源、解碼效率等方面實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的低功耗。較之文獻(xiàn)[5,6]所采用的軟硬件協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)TNS解碼，本設(shè)計不但采用全硬件方式實(shí)現(xiàn)，且所占用硬件資源更少；文獻(xiàn)[4]所提出的AAC解碼器純ASIC設(shè)計將TNS解碼模塊作為HSSP（硬件共享處理器）的一部分，與M/S、IS等四個模塊實(shí)現(xiàn)充分共享乘法器、加法器等硬件資源，而本文所提出的整體結(jié)構(gòu)與HE-AAC v2所有功能模塊共享存儲單元、DSPC等硬件資源，整體上更具優(yōu)越性，進(jìn)一步提高了硬件資源利用率，由于所有解碼運(yùn)算均共享DSPC，從而大大節(jié)省了乘法、加法器資源。

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