朱彩霞

(淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院,江蘇 淮安 223003)

0 引言

隨著人們對(duì)于便攜播放的需求越來越高和集成電路生產(chǎn)工藝的越來越精密，采用軟硬件協(xié)調(diào)的方法實(shí)現(xiàn)超低功耗音頻解碼已成為一種趨勢(shì)。目前，大部分的MP3解碼和WMA解碼都是使用DSP實(shí)現(xiàn)，該方法的缺點(diǎn)是軟件開發(fā)難度大、功耗也比較大。采用純硬件實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)在于格式擴(kuò)展不方便、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)和文件兼容性不夠。ARM7TDMI具有成本低、功耗低、代碼密度高和容易開發(fā)等特點(diǎn)。硬件設(shè)計(jì)具有低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是一旦生產(chǎn)就不可更改，所以一般設(shè)計(jì)都是把沒有兼容性需求、計(jì)算量大的部分采用硬件設(shè)計(jì)，而有兼容性需求的部分采用軟件設(shè)計(jì)[1]。

1 WMA 簡(jiǎn)介

WMA是微軟公司提出的一種音頻標(biāo)準(zhǔn)，是Microsoft Windows Media技術(shù)中的一部分，它包含了對(duì)音頻格式的一個(gè)完整定義，包括音頻編碼和加密。相比于MP3，它具有更好的高頻音質(zhì)和更低的壓縮率，相比于AAC，它具有更高的接受度[2],又因?yàn)閃MA具有DRM版權(quán)保護(hù)，所以具有更好的市場(chǎng)價(jià)值。

圖1給出了WMA的解碼過程，通過游程解碼(Run-Level Decoder)和控制信息解碼得到殘差系數(shù)，反量化(Inverse Quantizer)后得到頻域系數(shù)，噪聲產(chǎn)生模塊用于生成舒適噪聲以改善頻域過于集中時(shí)候的音質(zhì)，多聲道變換得到立體聲的雙聲道單獨(dú)系數(shù)，最后通過反重疊變換(Inverse MLT)得到時(shí)域音頻信號(hào)[3]。

圖1 WMA的解碼過程

在圖1中，Run-Level Decoder和Inverse MLT部分采用硬件實(shí)現(xiàn)，其它部分采用軟件實(shí)現(xiàn)。Run-Level Decoder的運(yùn)算單位都是BIT，ARM7的指令運(yùn)算單位都是字節(jié)，用軟件的方式會(huì)浪費(fèi)功耗。Inverse MLT 類似FFT運(yùn)算，該步驟在整個(gè)WMA解碼中占大約40%的MIPS，采用硬件會(huì)大大減少功耗[4]。

2 解碼器設(shè)計(jì)

WMA解碼的設(shè)計(jì)過程如圖2所示。

圖2 WMA解碼的設(shè)計(jì)圖

ARM7上運(yùn)行的系統(tǒng)軟件采用UCOS-II + UCFS，采用FAT32文件系統(tǒng)，WMA存儲(chǔ)在SD卡中，解碼器首先讀出WMA文件，進(jìn)行ASF頭解析，判斷其是否為正確的WMA文件，如果是，則繼續(xù)解析ASF頭、Packet、Frame和SubFrame等。

2.1 游程解碼(Run-Level Decoder)

游程解碼的讀碼流文件的過程如表1所示。

讀比特的過程和游程解碼VLC采用硬件設(shè)計(jì)，RLD解碼器具有兩種功能：一種是ShowBits和GetBits，ShowBits是查看nLength長(zhǎng)度比特的數(shù)值，不移動(dòng)硬件bitstream的指針，GetBits是讀取nLength長(zhǎng)度比特的數(shù)值并且移動(dòng)硬件bitstream的指針；另一種功能是自動(dòng)解碼VLC的系數(shù)，解碼系數(shù)自動(dòng)寫到SRAM。

在解碼WMA文件時(shí)，首先讀出SD卡中的WMA文件，因?yàn)閃MA文件是ASF格式封裝的，而MP3/FLAC/APE等文件都不是ASF文件，所以通過文件前四個(gè)字節(jié)可以檢測(cè)文件是否確實(shí)是WMA格式的文件，防止錯(cuò)誤文件解碼。正確文件解碼開始首先通過AHB填寫256個(gè)字節(jié)到RLD的內(nèi)部RAM，稱為初始化過程。

讀比特的過程如下：

uint_32 bs_read( sint_32 i_count )

{

DEC_BSI_UVLC_CTL_REG = (4<<6) | (i_count<<1) | 1 ;

do{

status = DEC_BSI_UVLC_STA_REG ;

}while( (status&1)==0) ;

return (status>>8) ;

}

uint_32 bs_show( sint_32 i_count )

{

DEC_BSI_UVLC_CTL_REG = (5<<6) | (i_count<<1) | 1 ;

do{

status = DEC_BSI_UVLC_STA_REG ;

}while( (status&1)==0) ;

return (status>>8) ;

}

表1 游程解碼語法描述

Run-Level Decoder解碼的流程如圖3所示。

圖3 Run-Level Decoder解碼

首先CPU通過AHB接口填寫256個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)到RLD的內(nèi)部RAM，ShowBits和GetBits時(shí)，只需要配置一個(gè)寄存器，然后讀取狀態(tài)寄存器，內(nèi)部運(yùn)算完成后，讀取數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容，每次最多讀取24Bit；

在殘差系數(shù)VLD解碼時(shí)，解碼過程不需要CPU干涉，由CPU配置num_coded_coeff參數(shù)到寄存器，然后啟動(dòng)VLD解碼器，軟件處于等待狀態(tài)，如果256個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)用完，內(nèi)部硬件設(shè)置標(biāo)志位并暫停解碼，CPU根據(jù)狀態(tài)寄存器標(biāo)志位重新填寫256個(gè)字節(jié)，直到硬件解碼完畢。VLD硬件解碼首先初始化RAM輸出，全部寫0，然后將解碼數(shù)據(jù)寫到RAM中，由CPU來讀取。

LMIT解碼功能示意圖見圖4。

圖4 IMLT解碼功能示意圖

2.2 IMLT解碼

IMLT解碼包含兩個(gè)部分，DCT-IV和加窗計(jì)算。其中DCT-IV的計(jì)算是主要部分，使用了兩個(gè)模塊，IMLT根據(jù)CPU配置輸入和輸出的RAM地址，到系統(tǒng)RAM中讀取輸入，把DCT-IV計(jì)算后的結(jié)果寫到輸入RAM中，加窗計(jì)算從輸出RAM的讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算完成后寫回輸出RAM。

DCT-IV的數(shù)學(xué)表達(dá)如下：

for0≤N<2n

在計(jì)算的時(shí)候采用快速算法，首先進(jìn)行preTwiddle，該模塊是把輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT轉(zhuǎn)換，計(jì)算復(fù)數(shù)輸入，然后繼續(xù)FFT運(yùn)算，最后調(diào)用postTwiddle把FFT運(yùn)算的結(jié)果轉(zhuǎn)換為DCT-IV的輸出，這些運(yùn)算的中間結(jié)果都存儲(chǔ)輸出RAM中。

圖5為IMLT硬件解碼圖,其中DCT_IV_CTRL是總體控制模塊，負(fù)責(zé)和CPU交互，模塊內(nèi)部包含解碼控制狀態(tài)機(jī)，用于啟動(dòng)和停止四個(gè)流程的模塊，在四個(gè)模塊的工作全部完成后，產(chǎn)生中斷通知CPU。四個(gè)模塊都是采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊之間沒有關(guān)系，數(shù)據(jù)的存取都是來自RAM，這樣可以最大限度的實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。

圖5 IMLT硬件解碼圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試了大約10個(gè)文件，每個(gè)文件大約在4分鐘，以對(duì)ARM7的時(shí)鐘需求為分析標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果如表2所示。芯片功耗在同等面積下與芯片工作頻率的成正比，降低芯片工作頻率是優(yōu)化功耗最快的方法，該項(xiàng)設(shè)計(jì)達(dá)到了降低系統(tǒng)功耗的目的。

表2 硬件優(yōu)化比較

4 結(jié)束語

本文采用ARM7為CPU，結(jié)合游程解碼和DCT-IV硬件計(jì)算單元，降低WMA解碼的功耗，為實(shí)現(xiàn)便攜式音頻解碼SOC提供了一種開發(fā)速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)的方法。另外，在后續(xù)的研究中，音頻格式MP3/FLAC/APE等解碼將全部共享RAM，因此在多格式音頻解碼時(shí)，該方法能夠更好地降低系統(tǒng)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] Charles D，Murphy，K.Anandakumar.Real-Time MPEG-1 Audio Coding and Decoding on a DSP Chip[J].Trans.on Consumer Electronics,1997,43(1):347-353.

[2] 周錦峰,倪光南.低功耗MP3解碼器設(shè)計(jì)及其可測(cè)性報(bào)告[D].北京：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所，2003.

[3] 張海濱，李揮．基于S3C2410的WMA開源解碼程序優(yōu)化[J]．計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(1):13-15．

[4] Pramod,Kumar,Meher．LUT optimization for memory-based computation[J]．IEEE Transaction on Circuits and System，2010，57(4)：285-289．