隨著移動游戲和語音觸發等應用的日益普及，音頻/語音子系統在許多移動片上系統 （SoC） 設計中發揮著重要作用。該子系統的設計必須滿足雙重需求：高性能、高分辨率音頻流處理以及始終在線、低功耗的語音觸發和識別。可定制的數字信號處理 （DSP） 和音頻/語音子系統解決方案知識產權 （IP） 模塊可以提供一種經濟高效的方式來開發和交付高性能音頻/語音產品。

在過去十年中，智能手機和平板電腦的出現推動了相當大的技術創新。高性能音頻和視頻應用對于為這些設備帶來個性化和消費者吸引力至關重要。移動游戲和語音觸發和識別等新興應用正在將音頻/語音子系統性能的要求推向頻譜的兩個極端。一方面，對高性能、高分辨率的多通道音頻流處理的需求不斷增長。另一方面，需要以極低的功耗始終開啟語音觸發和語音識別智能。音頻/語音子系統設計必須部署先進的數字信號處理 （DSP） 技術和架構完善的系統解決方案，以滿足不斷增長的需求。

移動音頻/語音子系統概述

圖 1 顯示了一個具有代表性的移動音頻子系統。該子系統以音頻 DSP 內核為中心，處理主要的音頻數據處理，包括對不同壓縮標準的流編碼/解碼、采樣率轉換、前后處理、噪聲抑制、語音觸發/語音識別等。音頻 DSP 內核可能會或可能不會集成到應用處理器片上系統 （SoC） 中。如果它被集成，DSP 內核將是一個卸載處理器，位于 SoC 總線層次結構上，可以訪問 SoC 的主存儲器系統。如果 DSP 未集成，則有專用總線接口將應用處理器 SoC 連接到獨立 DSP。MIC 和揚聲器等音頻外圍設備通過共享或點對點數字總線接口連接到 DSP 內核。音頻外圍 IC 包含模擬組件，例如數模轉換器 （DAC）/音數轉換器 （ADC）、模擬濾波器和放大器。除了連接音頻外圍設備外，還可能有音頻接口連接到蜂窩基帶或 WiFi/BT/FM 收音機組合設備，以支持語音通話（在智能手機中）和藍牙音頻或來自 FM 收音機的音頻流。

圖 1：具有代表性的移動音頻/語音子系統。

高性能、低功耗音頻數據處理

對高性能 DSP 的需求是由語音和音頻處理需求驅動的。在語音方面，為支持高性能 IP 語音 （VoIP） 而部署寬帶 （AMR-WB） 和超寬帶語音編解碼器，同時對噪聲抑制和與噪聲相關的音量控制預處理的要求也越來越高。 這些要求將音頻 DSP 處理復雜性提高了 2 到 4 倍。在音頻方面，編解碼器的復雜性隨著多通道無損版本的引入而達到頂峰，例如：

杜比 TrueHD、MS10、MS11

DTS 主音頻，M6，M8

然而，如表 1 所示，在后處理方面存在重大創新。

表 1：音頻后處理

對高性能的需求正在推動音頻 DSP 擁有更多并行、更高精度的乘法累加單元 （MAC）。

在性能需求不斷增加的同時，對低功耗配置的需求也在從兩個角度增加：

對于移動游戲或專業級音頻播放等高端音頻應用，由于移動設備的電池壽命限制，系統功率分布無法隨數據處理性能保持線性增長

在語音觸發或語音識別等新應用中，音頻系統需要始終開啟

這兩種觀點都要求 DSP 架構具有極高的可擴展性和效率。具有可擴展指令集擴展、可配置內存/I/O 分區和高級電源管理功能的 DSP 架構是滿足高性能和低功耗需求的最佳選擇。

低功耗音頻傳輸

為了降低功耗并支持語音觸發等低功耗應用，除了音頻 DSP 的電源效率外，還需要考慮音頻數據傳輸的效率。從音頻子系統拓撲來看，有兩個優化點可以降低音頻傳輸的功率。

第一個優化點是將音頻數據傳輸模型從基于系統內存的模型更改為 DSP 隧道模型。使用基于系統內存的模型，音頻數據預處理和后處理 DSP 被放置在整個 SoC 總線層次結構的系統內存中。該模型要求系統內存和 SoC 總線層次結構在音頻數據處理期間始終處于供電狀態。在此模型中，音頻數據還會多次遍歷 SoC 總線層次結構。通過高頻 SoC 總線層次結構和系統內存進行數據訪問會消耗大量功率并妨礙對始終在線應用程序的有效支持。在 DSP 隧道模型中，通過音頻接口的音頻數據處理和發送/接收被本地化到具有專用本地存儲器和高效 FIFO 式接口的 DSP 處理器。

第二個優化點是利用新的音頻接口標準，這些標準旨在支持具有低 I/O 引腳數和低功率效率的多個音頻外圍設備。最近，MIPI 聯盟建立了兩個新的音頻接口標準，SLIMbus 和 SoundWire，以優化音頻子系統的連接性。SLIMbus 標準針對應用處理器和獨立 DSP 編解碼器之間的連接性。SoundWire 標準針對許多音頻設備，包括 DSP 編解碼器和音頻外圍設備。SoundWire 總線可以擴展以支持多個數據通道，以便在應用處理器和 DSP 編解碼器之間傳輸寬 PCM 音頻樣本。但也可以對其進行優化，以支持將窄 PDM 樣本傳輸到單個數據通道上的 MIC 和揚聲器。SoundWire 標準為數據傳輸定義了一種改進的 NRZI 數據編碼和雙倍數據速率，以最大限度地減少總線負載的主動驅動和切換。此外，該標準包含一個明確定義的時鐘速率改變方案和時鐘停止協議，以進一步降低永遠在線應用的功耗。由 SoundWire 標準優化的音頻子系統如圖 2 所示。

圖 2：基于 SoundWire 的音頻子系統優化

構建高性能、低功耗的音頻子系統

高性能、低功耗音頻子系統已成為移動和消費設備的基本要素。新興的新應用程序，例如語音觸發和識別以及移動游戲，進一步增加了音頻處理的復雜性。音頻子系統設計需要以極低的功耗包含始終開啟的功能，并為多個音頻通道提供極高品質的音頻效果。

審核編輯：郭婷