基于當(dāng)今數(shù)字信號(hào)處理器的新一代車載娛樂系統(tǒng)

1. 引言

車載娛樂系統(tǒng)中的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在變得日益復(fù)雜。通過銅纜發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單音頻系統(tǒng)已經(jīng)成為過去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理變得越來越流行。特別是與數(shù)字傳輸內(nèi)容保護(hù)(DTCP)加密和解密方法相關(guān)的媒體定向系統(tǒng)傳輸（MOST）光網(wǎng)絡(luò)正在被許多高擋和中擋汽車采用。這種趨勢(shì)以及車載音頻系統(tǒng)通常必須以變化的采樣頻率適應(yīng)多種輸入源（調(diào)幅和調(diào)頻、CD、DVD驅(qū)動(dòng)、蜂窩電話、導(dǎo)航系統(tǒng)輸入）這個(gè)事實(shí)給DSP供應(yīng)商增加了壓力，要求他們提供改進(jìn)性能和提高集成度的處理器。

2. 通用基于MOST總線的車載高端娛樂系統(tǒng)

MOST總線專門用于滿足要求嚴(yán)格的車載環(huán)境的要求。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡(luò)能夠支持24.8 Mbps的數(shù)據(jù)，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾（EMI）的附加優(yōu)勢(shì)。

DSP Amplifier＝DSP放大器
Driver Information Display＝驅(qū)動(dòng)器信息顯示器
Head Unit＝磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
MOST? BUS ＝MOST?總線
Rear Video Display＝背投顯示器
Rear View Acquisition＝背投瀏覽采集
Camer＝照相機(jī)
Navigation System＝導(dǎo)航系統(tǒng)

圖1：基于MOST總線的典型車載高端娛樂系統(tǒng)

MOST總線基于環(huán)形拓?fù)?，從而允許共享多個(gè)發(fā)送和接收器的數(shù)據(jù)。MOST總線主控器（通常位于磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）有助于數(shù)據(jù)采集，所以該網(wǎng)絡(luò)可支持多個(gè)主機(jī)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多高達(dá)64臺(tái)主機(jī)。為了確保數(shù)據(jù)安全，總線主控器在上電時(shí)將查詢總線上的每一臺(tái)從屬設(shè)備并且完成自動(dòng)密鑰交換（AKE）。如果從屬設(shè)備有一個(gè)有效的總線密鑰，那么允許它使用預(yù)定的協(xié)議發(fā)送和接收MOST總線上的數(shù)據(jù)。

MOST傳輸協(xié)議由分成幀的數(shù)據(jù)塊組成。每一幀包含流數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。流數(shù)據(jù)與MOST時(shí)鐘同步并且不斷地在網(wǎng)絡(luò)中環(huán)繞。分組數(shù)據(jù)與MOST時(shí)鐘異步，根據(jù)需要產(chǎn)生，其中一個(gè)例子就是來自無線個(gè)人數(shù)字助理（PDA）設(shè)備的e-mail。幀中分配給流數(shù)據(jù)和分組數(shù)據(jù)之間的帶寬是可變的以滿足規(guī)定時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的需求，并且其控制字包含數(shù)據(jù)類型、在哪里找到幀中的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)大小等流信息?？擅扛舳鄮峙淇刂菩畔ⅲ⑶覒?yīng)該在接收設(shè)備中重新產(chǎn)生。

3. 在基于MOST總線車載娛樂系統(tǒng)中的音頻處理

DVD Player＝DVD播放器
HeadUnit＝磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
Amplifier＝放大器
Navigation System Announcement＝導(dǎo)航系統(tǒng)通知

圖2：基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)原理圖

圖2示出一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MOST總線的車載音頻娛樂系統(tǒng)。來自DVD播放器音頻源內(nèi)容，例如PCM，AC3 DTS通過SPDIF鏈路傳送到磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。SPDIF鏈路將以音頻源的采樣頻率（FS_in1）工作，例如對(duì)于CD音頻為44.1 KHz，對(duì)于AC3和DTS等DVD視頻內(nèi)容為48 KHz。當(dāng)要將編碼的音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上時(shí)，在傳輸之前必須對(duì)傳輸內(nèi)容進(jìn)行加密以阻止盜版復(fù)制。通常對(duì)于車載系統(tǒng)可選的加密機(jī)制是DTCP，該機(jī)制將在下面介紹。

ADI公司的BlackFin處理器體系結(jié)構(gòu)非常適合于這種功能，因?yàn)樗哂胸S富的外圍設(shè)備和優(yōu)化的指令集，從而能使它完成類似微控制器（MCU）的工作以及傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的工作。同時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)通知也必須通過MOST總線傳輸?shù)椒糯笃饕栽试S驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠接收到指令。這些基于PCM的信號(hào)通常根據(jù)12.24 KHz立體聲，我們稱之為FS_in2。

MOST收發(fā)器可收發(fā)多種音頻源并且重新將數(shù)據(jù)安排成數(shù)據(jù)塊以便在總線上傳輸（如圖2所示）。

一些音頻數(shù)據(jù)包中可能采用DTCP加密（如FS_in1），它們通過總線傳輸?shù)椒糯笃鞑糠郑ǔＭＡ粼谄囄膊浚ㄒ妶D3）。當(dāng)音頻源數(shù)據(jù)通過MOST總線發(fā)送后，DSP必須重構(gòu)原始分組數(shù)據(jù)，并且在DTCP加密數(shù)據(jù)的情況下，將數(shù)據(jù)流解密為原始形式。通過MOST總線傳輸?shù)母弊饔镁褪莵G失了源音頻的原始采樣速率。即使采用時(shí)鐘重構(gòu)技術(shù)，原始的源采樣率也無法精確地重構(gòu)，這將導(dǎo)致DSP緩存器中可聽到的砰砰聲以及聲音丟失。

Multi channe codec＝多通道編解碼器
DTCP Decryption＝DTCP解密
DTCP Encryption＝DTCP加密
SPORT Interface＝SPORT I接口
Bitstream Detector＝比特流監(jiān)測(cè)器
Audio Decoder＝音頻解碼器
Audio Post- Processing＝音頻后處理
Pac MOS dat=打包MOST 數(shù)據(jù)
Unpac MOS dat=解包MOST 數(shù)據(jù)
SRC=采樣速率轉(zhuǎn)換器

圖3： 放大器系統(tǒng)處理流程

為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，使用DTCP的加密技術(shù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的必備條件，從而可為通過網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供安全。DTCP有四層復(fù)制保護(hù)：

CCI：復(fù)制控制信息
AKE : 設(shè)備鑒別和密鑰交換

內(nèi)容加密

系統(tǒng)更新

復(fù)制控制信息（CCI）是以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容為基礎(chǔ)，并且它由內(nèi)容擁有者決定，例如免費(fèi)復(fù)制、禁止復(fù)制、不再復(fù)制和復(fù)制一次。在交換任何內(nèi)容之前，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須確定是否它們是原始內(nèi)容。有兩級(jí)鑒別，完全鑒別和受限訪問鑒別。在密鑰交換之后，可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)容。采用預(yù)定義基本密碼引擎加密和解密內(nèi)容，并且放入MOST傳輸協(xié)議的保護(hù)內(nèi)容包中。該保護(hù)包里具有頭部簽名以識(shí)別已經(jīng)加密的內(nèi)容。

4. 新一代系統(tǒng)問題的解決方案

為了解決基于網(wǎng)絡(luò)的車載娛樂系統(tǒng)日益增加的系統(tǒng)基本問題，ADI公司已經(jīng)開發(fā)出了Sharc ADSP-21365處理器。

Misc. Control Pins＝Misc.控制引腳
4 Timers＝4個(gè)定時(shí)器
333 MHz SIMD SHARC CORE＝333 MHz
SIMD
SHARC內(nèi)核
Block ＝數(shù)據(jù)塊
I/O Processor with 25 DMA Channels＝帶25個(gè)DMA
通道的
I/O處理器
Interrupts＝中斷
Sport ＝端口
8 Channels Sample Rate＝8個(gè)通道的采樣率
Input Data Port (8)/＝輸入數(shù)據(jù)端口(8)/
Signal Routing Unit＝信號(hào)路由單元

圖4：ADI公司用于車載娛樂的ADSP-21365 SHARC處理器

ADSP-21365是一款32/40 bit的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）信號(hào)處理器。它具有內(nèi)置4 Mbit的ROM，完全支持所有多通道解碼器標(biāo)準(zhǔn)，例如Dolby Digital解碼器、DTS解碼器以及包括DPL2x、Neo6等預(yù)處理模塊。客戶專用預(yù)處理模塊可以在3 Mbit的內(nèi)部RAM內(nèi)完成，客戶利用Visual Audio（見第5部分）音頻專用開發(fā)工具能夠增加他們的預(yù)處理產(chǎn)品種類同時(shí)縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

為了解決以不同基本采樣率運(yùn)行多個(gè)音頻源問題，ADI公司已經(jīng)將AD1896獨(dú)立的采樣率轉(zhuǎn)換器集成在到ADSP-21365中。它具有8個(gè)通道的采樣轉(zhuǎn)換和高達(dá)140 dB的性能，多個(gè)音頻源可以與零存儲(chǔ)器和每秒百萬條指令（MIPS）開銷合并，并且所有的輸出后處理都能以單采樣速率運(yùn)行以進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)流的復(fù)雜程度。

其它音頻專用外圍設(shè)備包括6個(gè)串行端口并且具有TDM和I2S的本地支持，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接與數(shù)字音頻源連接。

ADSP-21365 Sharc DSP也包括一個(gè)基于DTCP M6密碼引擎（與DTLA兼容）的硬件。外圍設(shè)備具有兩個(gè)專用的DMA總線以允許高速速據(jù)傳輸?shù)組6或者從M6傳輸以避免來自內(nèi)核的干擾，并且具有對(duì)加密和解密的本地支持。ADSP-21365可支持完全DTCP兼容系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)鏈路。密碼引擎包括支持密鑰動(dòng)態(tài)更新的功能。使用內(nèi)置定時(shí)器，用戶可以設(shè)置密鑰更新并且切換到增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全性的時(shí)間周期。 音頻處理包括FIR和IIR濾波器的密集使用。在遞歸運(yùn)算中，由于信號(hào)的數(shù)字表示產(chǎn)生的量化誤差可能會(huì)引起音頻質(zhì)量的下降。高端音頻處理器，例如ADI公司的SHARC處理器，使用浮點(diǎn)表示音頻信號(hào)以減少這種誤差。

在高擋音頻系統(tǒng)中，通常聲音的質(zhì)量通過如何準(zhǔn)確地再生出小幅度或非常安靜的聲音來度量。隨著音頻信號(hào)幅度變得越來越小，定點(diǎn)處理器精確再生這種信號(hào)的能力受到限制，但是對(duì)于浮點(diǎn)處理器而言，維持音頻等級(jí)的精度包含在固定的界限內(nèi)，并且具有186 dB的最小SNR。SHARC處理器具有40 bit浮點(diǎn)精度的本地支持和80 bit的累加器，從而可提供市場(chǎng)上所有信號(hào)處理器中最佳的音頻性能。

Amplitude＝幅度
40 bit floating point＝40 bit浮點(diǎn)
32 bit fixed point＝32 bit定點(diǎn)
24 bit fixed point＝24 bit定點(diǎn)
16 bit fixed point＝16 bit定點(diǎn)

圖5：定點(diǎn)和浮點(diǎn)處理器的SNR值

家庭影院音頻處理器的另一個(gè)重要特性就是動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍定義為在音頻處理器能夠沒有下溢或溢出條件下能夠再生出音頻信號(hào)幅度的最小值和最大值的配給量。此外，浮點(diǎn)處理器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了定點(diǎn)處理器的限制。

Dynamic Range（dB）＝動(dòng)態(tài)范圍（dB）
Floating Point＝浮點(diǎn)
Fixed Point＝定點(diǎn)
Fixed ＝定點(diǎn)

Dynamic Range for floating point is determined by the size of the exponent
＝浮點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍由指數(shù)的大小決定
6 dB×255 exponent levels＝1530 dB
＝6 dB×255指數(shù)級(jí)＝1530 dB
Dynamic Range for fixed point is determined by the data word size
＝定點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍由數(shù)據(jù)字的大小決定

圖6：浮點(diǎn)和定點(diǎn)處理器的動(dòng)態(tài)范圍比較

隨著預(yù)解碼器算法和后解碼器算法的復(fù)雜度日益增加，完成家庭影院體驗(yàn)所需的許多組合要求的MIPS數(shù)目或執(zhí)行周期也始終在增加。

為了解決這些問題，最明顯的方法就是增加信號(hào)處理器的時(shí)鐘頻率。由于硅工藝的限制，這種方法實(shí)現(xiàn)起來有很多障礙，它已經(jīng)使信號(hào)處理器供應(yīng)商通過改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題。一些信號(hào)處理器供應(yīng)商已經(jīng)采用MIMD體系結(jié)構(gòu)方案，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令同時(shí)完成多個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)。該體系結(jié)構(gòu)需要更多的存儲(chǔ)器，因此直接影響到芯片的成本。SHARC處理器體系結(jié)構(gòu)采用SIMD體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法，即可采用相同的指令隱含地完成第二個(gè)平行的算術(shù)單元，因此使得代碼尺寸如此密集從而可以降低完成這些算法所需的MIPS要求。鑒于這種SIMD體系結(jié)構(gòu)，音頻信號(hào)處理器無需額外的處理開銷可并行地處理立體聲信號(hào)。SHARC內(nèi)核基于完全互鎖的5階代碼流水線，這意味著程序員無需擔(dān)心數(shù)據(jù)什么時(shí)候有效即可隨時(shí)寫入代碼。算法流水線優(yōu)化為1個(gè)時(shí)鐘周期，這意味著計(jì)算結(jié)果在下一個(gè)周期立即提供以便進(jìn)一步計(jì)算。

由于ADSP-21365 Sharc處理器提供車載音頻專用外圍設(shè)備和基于32 bit浮點(diǎn)內(nèi)核的SIMD，所以它能使音頻系統(tǒng)達(dá)到了新的水平。

5. 使用Visual Audio開發(fā)工具定制音頻后處理設(shè)計(jì)

DSP用戶面臨的歷史性挑戰(zhàn)就是最佳利用處理器時(shí)鐘周期和有效利用存儲(chǔ)器的軟件開發(fā)。采用匯編語言手動(dòng)編碼音頻信號(hào)處理算法這種長(zhǎng)期使用的費(fèi)力的方法已經(jīng)越來越不可行。特別是要求大部分的精力放在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的檢查清單或我也是功能而不是集中精力通過增加產(chǎn)品價(jià)值不同于其它產(chǎn)品。因此需要一種開發(fā)音頻軟件的改進(jìn)方法。為了滿足這種需求，ADI公司開發(fā)出一種VisualAudio?圖形環(huán)境以幫助設(shè)計(jì)和開發(fā)使用SHARC處理器系列的音頻系統(tǒng)。VisualAudio為音頻系統(tǒng)開發(fā)工程師提供了大部分的軟件模塊，以及直觀的圖形用戶接口，如圖6所示，以便設(shè)計(jì)、開發(fā)、調(diào)試和測(cè)試音頻系統(tǒng)。

圖7：VisualAudio圖形接口顯示屏示例

VisualAudio包含一個(gè)基于PC的圖形用戶接口（GUI，圖形工具）、一個(gè)DSP內(nèi)核（基本結(jié)構(gòu)）以及一個(gè)可擴(kuò)展的音頻算法庫（音頻模塊）。與ADI公司的VisualDSP++?集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境（IDDE）配合使用，VisualAudio可提供對(duì)每秒百萬條指令（MIPS）和存儲(chǔ)器利用都經(jīng)過優(yōu)化的現(xiàn)有產(chǎn)品代碼。通過簡(jiǎn)化開發(fā)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理軟件的過程，VisualAudio降低了開發(fā)成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間。因此，音頻系統(tǒng)開發(fā)工程師能夠集中精力增加他們的音頻產(chǎn)品價(jià)值以不同于其它產(chǎn)品。

Visual Audio工具允許設(shè)計(jì)工程師使用直觀的圖形工具集中精力開發(fā)定制后處理模塊，該圖形工具和強(qiáng)大的SHARC體系結(jié)構(gòu)以及內(nèi)置ROM解碼器功能結(jié)合在一起，從而允許快速、簡(jiǎn)化系統(tǒng)開發(fā)和產(chǎn)品配置。

您可以從主要參考網(wǎng)址中所列的ADI公司網(wǎng)站主頁上下載Visual Audio工具30天試用版軟件。

結(jié)論

新一代音頻系統(tǒng)的要求不斷地需要提高速度和提高集成度的音頻處理器。為了維持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地位，音頻處理器供應(yīng)商必須提供高性能器件以使他們的客戶保持領(lǐng)先的音頻特性曲線，同時(shí)提供一套簡(jiǎn)單易用的開發(fā)工具以節(jié)省客戶產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。ADI公司通過推出第三代32和40 bit的浮點(diǎn)SHARC音頻處理器已經(jīng)完全解決了這個(gè)難題，它們可提供業(yè)界領(lǐng)先的高性能以及集成的存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備。此外，Visual Audio開發(fā)工具通過為許多公用音頻處理模塊提供現(xiàn)有產(chǎn)品代碼以簡(jiǎn)化音頻算法開發(fā)。