MP3解码的IMDCT硬件加速器方案

MPEG-l／2 Audio Layer 3(简称MP3)，是专门针对音乐和语音数据进行设计的有损压缩算法。在市场需求的推动下，会有越来越多的嵌入式系统支持MP3应用。因此，如何在嵌入式系统中利用有限的计算能力实现MP3的实时解码，成为值得关注的问题。MP3解码算法流程主要包括：帧同步和边带信息解码、Huffman解压缩、反量化、立体声解码、反锯齿、IMDCT和子带合成运算等。解码软件效率评估得到的数据表明，IMDCT过程的运算量占到了整个解码运算总量的19％，由此设想在系统级芯片内部添加一小块专用电路，专门负责处理MP3解码过程中IMDCT部分的运算。我们把这一小块专用电路称为“IMDCT硬件加速器”。将这部分代码通过硬件实现，并以硬件速度执行这些运算，可以有效地提高系统的解码性能。
本文采用软硬件协同设计的方法，提出了一种针对IMDCT运算的硬件加速器方案，目的在于使MP3解码过程中的速度和成本这两大要素得到优化。

1 IMDCT运算
MP3解码算法中使用反向修正离散余弦变换IMDCT(Inverse Modified Discrete Cosine Transform)将输入数据从频域变换到余弦域，对子带滤波进行补偿运算，如下式：

式中：在长窗类型帧中n取36；在短窗类型帧中n取12。
完成IMDCT变换后，结果xi必须再与视窗函数Wi作乘积运算。视窗函数是由边带信息中bllk_type位的值来确定的。长窗类型叉可以根据帧首部定义进一步划分为aormal、start、stop三种子类型，IMDCT变换得到36个结果数据；而在短窗类型下，MP3解码器将执行3次IM-DCT变换产生12个输出结果，然后互相叠加补零后也得到36个数据，类似于长窗类型的输出结果。将这36个数据与上一次的结果进行叠加，得到IMDCT变换的18个最终输出结果。音频数据分单声道和双声道，包含若干颗粒；每个颗粒有576个数据项，共包括32个数据块，需要分别进行IMDCT变换。一个颗粒变换完成后，经过较为简单的频率反转后得到的18个子带(每个子带包含32个数据)即可作为子带合成的输入信息。我们把从18项输入数据到18项输出数据的整个过程(包括IMDCT变换、数据加窗运算、叠加)称为“IMDCT运算”，如图1所示。本文所讨论的IMDCT硬件加速器，即实现这部分功能的专用电路。

2 IMDCT变换算法的选择
ISO标准解码代码里，IMDCT变换的算法没有进行优化。当式(1)中n=12时，做一次IMDCT需要72次乘法和66次加法；n=36时，做一次IMDCT需要648次乘法和630次加法。可见，IMDCT变换占用了大量的CPU时间，成为MP3解码过程中主要的性能瓶颈之一。将IMDCT做成硬件加速模块，也需要使用更快速的IMDCT算法，以进一步提高速度。这里引入一种新型的IMDCT算法。运用这种算法，当式(1)中n=12时，做一次IMDCT只需13次乘法和39次加法；n=36时，做一次IMDCT需要47次乘法和165次加法(详见参考文献)。同时，采用余弦查找表来代替实际的cos()函数运算，以加快长窗下的cos 36和短窗下的cos 12的变换速度。IMDCT算法改进后，运算过程得到简化，乘法数量大大减少，从而提高了系统性能。

3 叠加运算的优化
速度和成本是设计的两大要素。考虑到硬件成本，IMDCT硬件单元的面积应受到严格控制。这里提出一种叠加运算的优化算法，利用该算法，可以节省23118个字的存储电路单元。下面对此优化算法进行详细介绍。
IMDCT运算的主要数据结构如下：

可以看到，对于双声道立体声数据(stereo=2)，常见的算法是对前一区块2个颗粒(共23218个数据项)进行IMDCT运算，保存23218个字的高18项数据，再对下一区块的23218个数据项进行IMDCT运算，将得到的23218个字的低18项数据与之前保存的上一区块的高18项数据相叠加，得到输出结果。将IMDCT运算的数据叠加部分用硬件实现时，需要一块大小为23218个字的存储电路(prevbuf[2][32][18])来存储高18项数据，用于下一步的叠加运算。对嵌入式SoC来说，降低存储电路的需求意味着减小芯片面积。于是采用软硬件协同设计的方式对算法进行改进，通过改变IMDCT运算所需数据的输入次序，相对减少IMDCT变换输出数据的量。如此一来，有效地减少了硬件加速器的存储单元，减小了电路面积。
首先，在解码软件里，完成2个区块4个颗粒数据的反锯齿运算，并将结果存储到一片连续的内存区域内。具体做法如下：

然后，采用交错读取数据的方法，先将处在区块相同位置、需要进行叠加的子带进行IMDCT运算。这样，可以将存储中间结果的prevbuf缩小到218个字，大大降低了对存储单元的需求，减小了电路面积。具体实现如下：

4 硬件实现
由图l可知，IMDCT运算主要包含3部分：IMCCT变换、数据加窗运算以及叠加运算。IMDCT变换部分主要是把由反锯齿运算得到的数据IN与cos系数相乘和累加，并把最后的结果放入寄存器SUM中；加窗运算是把计算好的SUM与加窗系数Wi相乘；叠加部分则是将加窗运算后的数据进行叠加。总体结构图如图2所示。

由图2可知，通过合理的流程设计和利用多路选择器(MUX)，整个硬件加速器只需要1个乘法器和1个加法器，大大降低了通过硬件实现IMDCT运算的成本。

结 语
本文通过引进新的IMDCT变换算法，优化IMDCT运算过程中的叠加运算，加快了整体的运算速度，降低了对存储单元的需求，为高速度、低成本地实现IMDCT硬件加速器提供了一种方案。