MPEG声音编码的单片DSP实现

文章摘要：关于速度问题，首先想到的是使用快速算法，我们也尝试了在子带滤波中使用快速算法［4］. 但是，实践证明，这些快速算法使用在DSP上效果并不理想，其原因有以下3条：（1）只考虑了加法和乘法的次数，而对附值、寻址等操作毫不关心，但对所有指令都是单周期的DSP而言，乘法和加法的次数相对其他操作并不显得特别重要；（2）没有考虑DSP的硬件特点，其算法不能充分发挥DSP的乘累加器（MAC）并行处理的能力；（3）ADSP-2181是为16位算法操作优化的，在需要精度扩展的情况下，运算量将以数量级的速度急剧增加.基于以上质量和速度要求的分析，我们选用了适合DSP乘累加指令的多相结构滤波器组实现方式，且采用基于

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　　关于速度问题，首先想到的是使用快速算法，我们也尝试了在子带滤波中使用快速算法^［4］. 但是，实践证明，这些快速算法使用在DSP上效果并不理想，其原因有以下3条：（1）只考虑了加法和乘法的次数，而对附值、寻址等操作毫不关心，但对所有指令都是单周期的DSP而言，乘法和加法的次数相对其他操作并不显得特别重要；（2）没有考虑DSP的硬件特点，其算法不能充分发挥DSP的乘累加器（MAC）并行处理的能力；（3）ADSP-2181是为16位算法操作优化的，在需要精度扩展的情况下，运算量将以数量级的速度急剧增加.
　　基于以上质量和速度要求的分析，我们选用了适合DSP乘累加指令的多相结构滤波器组实现方式，且采用基于MAC结构的精度扩展方法，较好地解决了编码质量和DSP速度之间的矛盾.另外，对抽样数据的输入方式、心理声学模型、比例因子编码都进行了适于ADSP-2181的改进，减少了运算量，保证了实时性.

3　算法的软件设计

　　软件设计是MPEG声音编码的单片DSP实现的核心，编码质量和速度的要求都需要通过精心设计DSP软件才能实现.
　　(1)基于MAC结构的精度扩展　MPEG声音编码的分析滤波器组可以有许多种实现方式，多相结构是MPEG标准推荐的一种，其数学表示为

　　　　　　　　　　　　　　　(1)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)

分析表明，对Y_k进行双字扩展可将截尾效应带来的噪声降低33倍.但是，考虑到ADSP-2181只支持16bit的乘累加运算，需要对式（1）进行转化，即
　　　　　　　　　　　　　　　　　Y_k=HY_k+2^-16LY_k　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)

　　　　　　　　　　　　(4)

这样，就可利用DSP的乘累加器结构，运算量只增加约1倍，存储量只增加64个字.
　　(2)输入数据的组织　输入数据的组织不但要考虑方便地从数模转换器取得声音原始数据，还要考虑输入数据在片内数据RAM的存储适合作为多相滤波器组和声学模型的FFT运算的输入.多相滤波器组每次移入32个新的声音数据，移出32个旧的样值，操作如下：
　　　　　　　　　　　　　　　　X_i=X_i-32，i=511,510,…,32
　　　　　　　　　　　　X_i=next_-input_-audio_-sample，i=31,30,…,0
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.

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