MPEG声音编码的单片DSP实现

作者：时间：2011-01-09来源：网络收藏

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/151117.htm

然而ADSP-2181并不适于实现数据的移动，每个赋值运算需要两个指令才能完成，每次分析滤波操作需要1024个指令周期.如果利用ADSP-2181的多通道自动缓冲串口及间接寻址能力，适当地组织输入声音数据，就可利用滑动窗的方法实现数据的移入和移出，如图2所示.

图2　多相滤波的滑动窗技术

为了保证帧边界处理的连续性，输入数据缓存应该设计成圆缓冲的形式，其长度应能存储两帧声音输入数据.当DSP在处理一帧数据时，输入数据可以缓冲到另一帧.这样，数据移动的开销就节约了.同时，输入数据的组织还要利于声学模型的FFT运算，FFT需要利用ADSP-2181的地址反转寻址模式.由于FFT计算和输入数据的缓存是同时进行的，所以FFT计算的指针需要地址反转，而输入缓冲的指针却不能地址反转，否则会导致输入声音数据排列混乱.ADSP-2181提供这种能力，它的第一地址指针组I0，I1，I2，I3有地址反转能力，而第二地址指针组I4，I5，I6，I7却不受地址反转模式的影响.所以从第二地址指针组中选择指针进行输入缓冲，从第一地址指针组中选择指针进行FFT计算.

(3)声学模型的改进　用DSP实现心理声学模型的一个难题是其中有大量的对数运算，虽然可以用多项式逼近求得其近似值，但是其巨大的运算量说明这不是一个明智的选择.在改进的心理声学模型中，FFT运算后并不立即换算到对数域，而是用分段折线逼近线性域的掩蔽效应曲线.为简单起见，使用与标准一致的分段方法.逼近采用取指数的多项式展开的一次项的方法，这种方法虽然比较粗糙，但正如前面分析的那样，声学模型在16bit定点实现时不是主要矛盾，因而还是可以接受的.

得到掩蔽门限以后，为计算信掩比供比特分配使用，还是需要从线性域转换到对数域.这时，我们采用一种利用ADSP-2181移位器的近似计算方法.通过EXP指令，可以提取2进制补码小数的指数，对能量而言又有1bit约3dB.因而指数值乘3就近似得到该补码小数的dB值，尾数部分的影响忽略不计.

(4)比例因子的编码　 MPEG声音编码标准中一共给出了63个比例因子，但是并不是所有这些比例因子都可以用16bit的2进制数表示.如果用双字进行精度扩展，在量化时又将面临双字除法的巨大开销，因此，只使用其中可以用16bit的2进制补码小数精确表示的子集，即序号为3的倍数且小于等于45的比例因子.
采用比例因子子集后，比例因子编码就可以不再通过比较的方法得到，而可以直接通过计算子带最大幅度的指数获得，简化了比例因子的编码.

(5)软件仿真结果　结合上述各项算法改进，根据ADSP-2181的特点和MPEG标准，用AD公司的开发软件进行了软件仿真.表1列出了仿真得到的各个模块对运算量和存储量要求进行的估算结果.仿真在抽样率为48kHz，编码模式为立体声，输入信号为频率为1kHz的正弦波，输出码率为 192kbit/s的情况下进行. 由表1可知，ADSP-2181的性能得到了较充分的利用.仿真结果表明，在以上的条件下，解码输出的信噪比可达80dB左右.可见，所作的算法改进是比较有效的.

表1　各模块的运算量和存储量要求

运算量/(106指令/s) 程序存储量/103字数据存储量/103字子带滤波 18 3.0 6.5 声学模型 103.5 1.5 比特分配和量化 2 2.0 — 格式化比特流 1 0.5 1.0

4　硬件设计

硬件结构框图如图3所示.各模块的基本功能如下：

　　
DSP核：除完成所有编码算法以外，还要完成对模数转换电路的初始化配置；通过辅助控制电路选择抽样时钟，通过接口电路接受主机的编码参数.