視頻流和圖像繪制技術的進步，極大地提高了高清 （HD） 運動圖像的質量。加上家庭娛樂中心逐漸流行，這些因素已成為追求“家庭影院”體驗以及便攜式電子設備發展的重要推動力。除了高清視頻之外，高清音頻（HD Audio）也隨之引入，為日益擴大的多媒體娛樂世界增加更豐富的音頻體驗。本文將對高清音頻市場的三大領域予以介紹，即

　　● 數字電視–DTV

　　● 機頂盒–STB

　　● 藍光DVD

　　根據最新報道，預計到2011年，DTV、機頂盒和藍光DVD的銷售量將分別達到1.87億、1.6億及1.16億臺。除此之外，A/V接收器、高清便攜式攝像機、IPTV及手機等其他市場領域也將大幅增長。

　　不過，在處理要求、音頻聲道、比特率和精度要求方面，標清和高清音頻規范之間存在著很大的差異。高清音頻系統的眾多新要求，不單影響著集成電路（IC）設計的各個方面，而且也給這些新設備實現高質音頻帶來了重大挑戰。

　　本文將介紹各種不同的高清媒體分發技術，探討IC 設計人員面臨的設計挑戰，并提出高效實現高清音頻的解決方案和設置方法。

　　圖1 7.1音箱系統的放置

　　高清音頻的應用機會

　　下面介紹高清音頻的三大主要應用機會。

　　1 數字電視（DTV）

　　數字電視（DTV）使用分立（數字）信號來實現運動圖像和聲音的發送與接收。從模擬電視到數字電視的轉換始于1990年代末期，而因為它提供了全方位的新商機，所以很快成為了電視廣播和消費電子行業備受矚目的技術。在早期采用DTV的國家中，荷蘭和芬蘭分別在2006年和2007年就完成了模數轉換；而美國從2009年6月12日起，國內所有的電視臺都將只使用數字模式來播送節目。另一方面，英國已開始向DTV的轉換，并預定在2012年全面實現DTV廣播。中國方面則計劃到2015年完成到DTV廣播的轉換。

　　從模擬向數字廣播或播放的轉換有一個重大挑戰，就是高清音頻應用所需的數據處理和數據流量。任何基于IC的高清音頻解決方案要獲得成功，都需要在開發和實現階段把這一點考慮在內。DTV的另一個挑戰是必須降低消費者的成本，因為向DTV 的轉換是強制性的，消費者必須按照法規決議更換新電視，因此他們會對價格非常敏感。

　　2 機頂盒（STB）

　　機頂盒（STB）是一種連接電視機和外部信號源，并把信號轉換為能夠在電視機屏幕上顯示的內容的設備。數字機頂盒可以幫助沒有內置數字調諧器的電視機接收數字電視廣播節目。在直接廣播衛星系統中，機頂盒是一個集成式接收器/解碼器。

　　在美國等市場，由于模擬廣播將于2009年終止，因此音頻質量成為機頂盒制造商關注的焦點，以確保音頻信號具有和視頻輸出相匹配的質量。

　　3 藍光光盤

　　藍光光盤（也稱作“藍光”或“BD”）是一種光盤存儲媒體。藍光這個名稱源于這種磁盤格式采用藍色激光（實際上是紫藍色的）來進行讀寫，主要用于高清視頻和數據存儲。由于藍光光盤的光束波長（405nm）遠遠短于標準DVD編碼所用的波長（650nm），故它的數據存儲量相比也大得多。一個標準的雙層藍光光盤可以存儲多達50GB的數據，差不多比雙層DVD多6倍，比單層DVD更是高出10倍。

　　在2008年2月的一項重要公布中，東芝表明退出HD-DVD播放器和錄像機業務，至此，以東芝為代表的HD-DVD陣營和以索尼為代表的藍光光盤陣營之間的光盤格式大戰終于塵埃落地。這使藍光一舉成為領先的多媒體高清記錄媒體。目前有大約1000部各種語言的電影以藍光光盤發行，而在HD-DVD和藍光陣營之間的格式大戰結束之后，市場預計這個數字將會大幅增長。

　　強制性的藍光格式音頻編解碼器

　　藍光格式規范定義了兩套可在藍光播放器中實現的編解碼器。其中第一套是強制性的，必須用作藍光光盤的主要音頻聲道。這些編解碼器包括：

　　● DTS–一種用于商業/影院應用和視頻游戲等消費應用的多聲道數字環繞聲格式。

　　● 杜比數字或AC-3–一種可容納多達6個分立式音頻聲道的編解碼器，最大編碼比特率為640kb/s，而35mm電影膠片使用320kb/s的固定速率，DVD視頻光盤則限于448kb/s。

　　● 線性PCM–一種采樣頻率為48kHz或96kHz、每樣本16，20或24位，可容納多達8個音頻聲道的無壓縮音頻格式。最大比特率為6.144MB/s。

　　藍光格式的可選音頻編解碼器

　　藍光格式的可選音頻編解碼器包括有損和無損編解碼器。有損編解碼器包括：

　　● 杜比數字 Plus–一種基于AC-3的增強型有損編解碼器，可支持高達6.144Mb/s的比特率和7.1音頻聲道。它還能提供更先進的編碼技術，降低壓縮失真（compression artifact），并后向兼容現有的AC-3硬件。

　　● DTS高清高分辨率音頻–一種可擴展原始DTS格式的有損編解碼器，支持96kHz和24位深度分辨率的7.1聲道。DTS-HD高分辨率音頻可提供高達6.0Mb/s的恒定比特率。

　　無損編解碼器則有：

　　● 杜比數字TrueHD–一種主要用于高清家庭娛樂設備（如藍光光盤）的高清多聲道音頻編解碼器。最大編碼比特率為18Mb/s（未壓縮速率）。這已顯示了高清音頻的高數據流量要求。

　　● DTS-HD主音頻–以前被稱為DTS++或DTS-HD，是原始DTS編解碼器的擴展版本。這是一種無損音頻，具有高達24.5Mb/s的可變比特率，并支持192kHz采樣頻率和24位信號分辨率的7.1分立式聲道。

　　藍光高清音頻用例

　　一個高清音頻的計算密集型藍光使用案例包含主音頻（main audio）和子音頻（sub audio）流，以及一個音效流（effects stream）。主音頻流可結合DTS-HD 主音頻（見前述藍光光盤一節）或杜比TrueHD 7.1聲道，用于播放光盤。子音頻流可采用DTS-HD Express或杜比數字Plus，以獲得額外的數據，例如，從互聯網下載電影中的導演加注。音效流則是一個簡單的PCM音頻流，為屏幕菜單增添音效的選擇。

　　編碼流可使用DTS 5.1編碼器或杜比數字5.1編碼器，而編碼必須把數據以壓縮的格式傳送給一個兼容的音頻/視頻接收器（比如經由S/PDIF電纜）。混合信號在發送給揚聲器之前可能需要后處理功能，以補償聲音失配播放環境或各種不同的音頻不完整性。

　　圖2 5.1編碼系統

　　高清音頻IC的設計挑戰

　　在設計高清音頻IC時，有若干因素需要考慮。高清音頻最重要的特性是數據流量，因為相比傳統的音頻應用，高清音頻數據流量大大提高。僅對 I/O而言，這種數據流量在某些編解碼器就可能達到24.5Mb/s的輸入速率和在27.6Mb/s的輸出速率下達致每秒96kHz×8×24位的輸出。這就需要一種新的IC設計方案來確保這些挑戰得到解決，同時保證音頻的質量。

　　另外，一些采樣頻率達192kHz、帶6個或8個聲道，并且運算精度很高的無損音頻編解碼器，如DTS-HD主音頻或杜比TrueHD，它們的計算要求極高。如果不予以改進，單單一個編解碼器就可能消耗掉傳統DSP的全部MHz預算。

　　性能要求

　　如上所述，高清音頻實現方案（如藍光光盤應用）的數據處理要求非常高。在如此高的數據率下，很多現有的單核DSP解決方案都無法保證高質量的數據處理，故業界不少解決方案開始傾向于采用能夠滿足視頻結合音頻的處理開銷要求的雙內核方案。

　　而且，在DSP解決方案的實現中，除了強制性及可選音頻編解碼器之外，還需要許多后處理功能，而這些后處理功能正是眾多實現方案的差異化因素。由于在處理最小的高清音頻編解碼器時，許多單核DSP都會有過載的情況，所以幾乎沒有什么剩余能力可言，即便有，也差不多都是用于強制性后處理。

　　芯片尺寸/功耗考慮

　　由于制造商和設計人員不得不應對挑戰，把所有必要的處理功能全部塞入尺寸越來越小的芯片中，這使現有的芯片尺寸也面臨著巨大的壓力。采用多核解決方案雖然可以提供這些處理能力，但芯片尺寸、相應的價格增加和驅動子系統所需的電能之間的權衡都可能往往令人望而卻步。特別在滿足具有特殊功率和外形尺寸限制的高清設備（如便攜游戲機）要求時，這一點尤其關鍵。

　　即使對于非移動設備，功耗也是一個重要的考慮因素，因為它影響到設備的散熱性能。較高的功耗可能需要某些冷卻手段，從而對產品的總體設計造成影響。

　　任務切換的存儲器交換

　　高清音頻系統中必須執行大量并行任務，故需要非常頻繁的存儲器交換。這些交換必然會致使存儲器帶寬過載，讓系統無法處理增加的總線流量，最終快速降低音質。另外因為指令集常常采用32位格式編寫，這又使得指令更大，指令間間隔更長，進一步加劇數據過載問題，而16位指令集可以減輕這種負載。在數據方面，某些高清音頻編解碼器需要100Kb以上的數據RAM外加相當大的數據表，也就是強制要求利用存儲器交換以高效利用RAM存儲器。

　　慢速外部存儲器存取

　　許多在DSP上運行的音頻算法傳統上均以非序列（non-sequential）的方式對大容量緩存進行存取。一般而言，這些緩存都太大，無法駐留在處理器的片上存儲器中，故它們必須置于速度較慢的外部存儲器中，如DDR SDRAM。另外，非序列存取也給維持高性能的目標帶來一個挑戰。由于音頻解碼器常常與視頻解碼器爭奪數據總線吞吐量，故存儲器存取效率非常重要。要提供高質量的音頻體驗，就必須解決這個難題以實現穩定的性能。

　　解決難題

　　要解決影響高清音頻DSP領域的眾多問題，需要一個基于功能強大的數字信號處理器的系統，其中應包括合適的軟件和外設。CEVA-HD-Audio就是這種高清音頻系統的實例，它是一個全面完善的單核DSP解決方案，能夠滿足最嚴苛的高清音頻使用案例的要求。

　　CEVA-HD-Audio是基于CEVA-TeakLite-III DSP內核的系統。CEVA-TeakLite-III擁有本地32位處理能力和雙乘法累加（Multiply-Accumulate， MAC）架構，是需要先進音頻標準的高清音頻應用的理想DSP方案。另外，CEVA-TeakLite-III還具有良好平衡的10級管線，使其內核在65nm工藝下的運作頻率仍超過550MHz（在最差條件和工藝）。CEVA-HD-Audio集成了一個帶有32位寄存器文件、64位數據存儲帶寬、32×32位乘法器和自動32位飽和的本地32位SIMD DSP處理器。CEVA-TeakLite-III還具有一個帶有完善MAC指令集的雙16×16 MAC，可實現語音/VoIP和全面的流處理位操作（bit-manipulation）功能，這對流處理十分有用。除了帶有多精度點的固有32位數據處理功能之外，單周期32位MAC單元還包括用于無損編解碼器的72位MAC累加，和獨特的單精度與雙精度FFT蝶形指令（butterfly instruction），以及一個2/4周期內核。

　　圖3 CEVA TeakLite-III結構框圖

　　CEVA-TeakLite-III架構嵌入了CEVA-Quark指令集，是全面的獨立式嵌入緊湊型指令集架構（ISA）。這種獨特的ISA旨在僅利用16位指令，減小芯片的尺寸和成本，同時降低功耗，減少存儲器存取次數。CEVA-Quark ISA是一套完整的指令，包括存儲器存取、算術與乘法運算、邏輯、移位和流處理位操作指令以及控制操作。應用程序開發人員還可以把CEVA-Quark指令與其他更先進的CEVA-TeakLite-III指令相混合，無須切換到不同的運作模式。這種組合特性可使代碼量減少4倍，周期數減少了近9倍。

　　利用單核實現高性能高清音頻

　　上面提到的處理效率，顯示CEVA-TeakLite-III能夠利用單核DSP，輕松提供完整的高清音頻支持。由于它擁有更小的存儲器，所以尺寸更小，性能更高，比市場上其他競爭解決方案更為優勝。單核實現方案也意味著不論從硬件還是軟件的角度來看，應用開發和集成都更為容易。

　　本地音頻處理

　　CEVA-HD-Audio具有32位本地處理能力，故能為高清音頻算法提供很高的精度。此外，64位的數據存儲器帶寬可確保DSP不斷有數據樣本與系數饋入，從而實現連續處理。為應對這些挑戰，CEVA-HD-Audio解決方案還備有一套完整的音頻編解碼器。音頻編解碼器算法設計使用一個普通的DMA引擎，使數據傳送和算法執行能夠并行進行，有助音頻算法和編解碼流程。另外，CEVA-HD-Audio還包含了一個帶有指令緩存的存儲子系統、用于數據的緊密耦合存儲器和AHB/APB系統接口（包括主和從接口）。這些特性能幫助CEVA-HD-Audio用戶滿足復雜音頻使用案例、外部存儲器存取的高延時和有限的系統速度等嚴苛要求。它們也易于集成到基于CPU的SoC中，可以實現完整音頻系統的快速產量提升。

　　高清音頻的軟件開發

　　一套包括C編譯器、匯編器、鏈接器、代碼庫、調試器和仿真器的完整的軟件開發工具也是非常重要的，因為它們能夠幫助用戶迅速方便地進行系統的開發和集成。一個基于GUI的開發環境也讓編程人員能夠輕松遵循不同的處理流程，提高編程、編譯和調試流程的效率。