從智能電視、平板電腦、藍光光盤播放器到數碼攝像機，如今幾乎每一種消費電子設備中都已經嵌入了各種音頻處理功能。這些設備必須能夠支持許多不同的多通道、高清晰的音頻格式，以用于接收廣播、文件播放、網絡流媒體以及錄音功能。為這些應用開發系統級芯片（SoC）的工程師，需要依此來搭建其系統架構，以便使音頻處理以最高效的方式實現。

卸載到高效的音頻處理器

目前，將音頻處理從系統中的主處理器上卸載到更高效的音頻處理器已經是很常見的做法。像音頻編碼、解碼與后處理這樣的任務，可以用專門為此而設計的處理器更高效地來處理。當音頻功能從主處理器上被卸載下來后，我們通常可以看到功耗降低了80%。例如將MPEG-2 Audio Layer III或MP3解碼功能，從一個電源優化的、帶有NEON 擴展（3.13mW/10MHz）的ARM Cortex-A9雙核處理器卸載到一個DesignWare ARC AS211SFX處理器（0.27mW/7MHz）上時，結果是功率消耗降低了約3mW。更精確地說，在一個使用了TSMC 40G工藝的ARM Cortex-A9和NEON上進行MP3解碼，每個核將消耗0.3125mW/MHz，然而ARC AS211SFX卻僅消耗0.0735mW/MHz。

然而，在諸如數字電視、機頂盒和藍光光盤播放器等絕大多數消費電子設備中，多種音頻解碼與編碼任務必須同時進行。其它的任務還包括在平板電腦及其它便攜設備上用于虛擬環繞聲效的音頻強化（后處理）軟件。這意味著，對于需要多通道的多音頻流及高清音頻的應用場景，MP3解碼的總處理器負載不再僅僅是10MHz，而是可能要高達250MHz甚至更多，因而全部的總功耗降低可高達250×（0.3125-0.0735）mW/MHz=60mW！

圖1：通過將音頻任務卸載到一個高效率的音頻處理器來優化設計。

內存延遲對音頻處理器的性能影響

通常，音頻處理器擁有為音頻處理而定制的硬件架構，它不但降低了功耗，而且還減少了整體的芯片成本。Synopsys的32位DesignWare ARC音頻處理器甚至為更好的SoC性能做了進一步優化。在當今的SoC中，DDR系統存儲器是一種共享的資源，例如用于音頻、視頻、圖形及程序代碼。因此，為了確保留有足夠的帶寬可用，增加了存儲器延遲。雖然這些延遲過去通常是順序延遲50-100個周期，而在許多新設計中我們現在可看到延遲將高達200-300個周期。于是，任何處理器都將需要更多的“周期”（MHz）來執行某項任務；但是ARC音頻處理器憑借其XY存儲器架構，與業界其它處理器相比，存儲器延遲對其性能有較小的影響。該ARC XY存儲器架構使實現了大型音頻數據單元的并行獲取和處理。由于ARC音頻處理器知道數據在存儲器中所處的精確位置，因此它與基于緩存的設計相比，可以更高效地處理數據，例如，當數據單元“X0Y0”還在被處理時，“X1Y1”數據單元已經在從存儲器中被轉移的過程中了。這種XY架構的優勢早在存儲器延遲超出50個周期時就已經得以見到。

一個典型的實例就是經常被引用的藍光光盤DTS音頻使用案例。表1顯示了100個周期的存儲延遲對各家領先供應商的處理器性能的影響。顯然，存儲器延遲對ARC處理器的影響相比于其它處理器的影響較小。盡管這個例子顯示了100個周期存儲延遲對性能的影響，但ARC音頻處理器在更大的系統延遲（200-300個周期）情況下，將同樣展示比其它處理器更多的優勢：抑或是能夠應用更低的時鐘頻率（可帶來更低的功耗和更小的片芯占用面積），或者是可留出更多的處理周期（為其它任務留出更多“動態余量”）。

表1：Synopsys ARC音頻處理器的存儲器延遲容忍。

MPEG-4 AAC-LC和MPEG-4 HE-AAC音頻標準

許多消費電子設備中所用的一種音頻壓縮方案是先進的音頻編碼（Advanced Audio Coding，簡稱為AAC），它是一種有“損失”的壓縮與編碼方案。低復雜度的AAC或稱為AAC-LC被用于低碼率的應用，如互聯網流媒體；它在1997年被放入MPEG-2標準成為其音頻子集（MPEG-2 AAC-LC）。在1999年被定義的MPEG-4 AAC-LC還包括了知覺噪聲代替（Perceptual Noise Substitution，PNS）。由Coding Technologies公司創造的譜帶復制（Spectral Band Replication，SBR）在2003年被加入MPEG-4標準中。現在被稱為HE-AAC v1，也稱aacPlus v1、eAAC+、AAC++或者加強型AAC+。在2004年，一種參數立體聲（PS）編碼工具被加入該標準中，從那時起開始稱之為MPEG-4 HE-AAC v2（或aacPlus v2）。

我們通常看到AAC-LC和aacPlus v2（HE-AAC v2）被用于諸如數字無線電、廣播、互聯網流媒體、高品質音頻錄音等應用中，被用在諸如數字電視、機頂盒、數碼攝像機、平板電腦及媒體播放器等消費電子設備中。因此，音頻處理器需要為這些標準提供頂級解決方案。

Synopsys提供最優化的實現方案

Synopsys的DesignWare ARC MPEG-4 AAC-LC和aacPlus v2編碼器擁有多通道編碼功能，可為環繞聲應用提供多達7.1（8個）音頻通道。

ARC音頻軟件編解碼器中所提供的、效率提升的可選編碼方法包括混合立體聲編碼（Joint Stereo Encoding）、隨機噪聲代替（TNS）、PNS、增強立體聲（IS）、SBR和PS，可支持音頻數據交換格式（ADIF）、音頻數據傳輸流（ADTS），同時還提供低開銷音頻流（LOAS）容器組件。

Synopsys的音頻軟件工程團隊為按照所需周期（MHz）數量來計的最低處理器負載設計了音頻算法的實現。Synopsys還針對盡可能小的存儲器占用片芯面積進行了優化（表2）。ROM用來存儲程序代碼，RAM用來存儲程序執行過程中的音頻數據。更小的ROM和RAM面積為SoC集成工程師帶來了更低的芯片面積成本。

表2：Synopsys提供了最優的AAC-LC編碼解決方案

SoundWave音頻子系統內置軟件棧

Synopsys的DesignWare SoundWave音頻子系統為SoC設計師提供了一套完整的、經預先驗證的音頻子系統，包括可集成到SoC設計中的硬件、軟件和原型。已經SoC就緒的音頻解決方案減少了SoC設計與集成工作量，縮短了產品上市時間。

除了單核或雙核音頻處理器，可配置的SoundWave硬件還包括數字的I2S和S/PDIF、以及可選的模擬音頻接口。然而，由于大多數的SoC設計工作量都耗費在了軟件集成上，SoundWave音頻子系統還包含了一個媒體流框架（MSF）。MSF可以使開發者容易地在其應用集成和結合所有的音頻軟件功能，包括數據交換、解碼/編碼以及后處理單元。

系統集成商使用SoundWave GStreamer插件可以容易地將一切可提供的音頻功能嵌入到他們的應用軟件中。此軟件插件是一個應用程序界面（API），包含了在音頻子系統中所有可提供的功能。該插件處理了在子系統和主處理器之間的所有通訊，提供了一種將所有音頻功能集成到主處理器上運行的應用軟件的即插即用地集成。

圖2：媒體流框架能夠被快速地集成到應用軟件中

小結

軟件在支撐SoC設計團隊為消費性音頻產品提供高品質音頻解決方案時，扮演著越來越重要的角色。無論是從軟件的角度還是從硬件的角度來看，音頻處理IP供應商需要提供優化的解決方案。

Synopsys已經投入巨資來為消費電子SoC市場創造一種差異化的音頻處理器IP解決方案。一個可提供AAC-LC和aacPlus v2編解碼器的、豐富的優化音頻軟件產品組合，使設計師可實現降低音頻應用的功耗及縮小芯片面積。通過將軟件IP打包作為完整的硬件與軟件解決方案的一部分，我們使設計團隊能夠以更低的風險和更高的生產效率，將各種先進的音頻功能集成到他們的SoC當中，應用在諸如數字電視、機頂盒、平板電腦和數碼攝像機等產品中。

責任編輯：gt