MP3解码的IMDCT硬件加速器方案

文章摘要：摘要 提高IMDCT运算速度比较有效的做法是在系统级芯片内部添加一小块专用电路，专门负责处理IM-DCT部分的运算。本文根据嵌入式系统的特点，引进新的IMDCT变换算法，优化IMDCT运算过程中的叠加运算，为高速度、低成本地实现IMDCT硬件加速器提供了一种方案。关键词 MP3 IMDCT 硬件加速器 解码 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

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摘要 提高IMDCT运算速度比较有效的做法是在系统级芯片内部添加一小块专用电路，专门负责处理IM-DCT部分的运算。本文根据嵌入式系统的特点，引进新的IMDCT变换算法，优化IMDCT运算过程中的叠加运算，为高速度、低成本地实现IMDCT硬件加速器提供了一种方案。
关键词 MP3 IMDCT 硬件加速器 解码

    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。

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