為了使用單片DSP實現(xiàn)MPEG音頻實時解碼，本文對MPEG音頻解碼算法的運算量和存儲量要求進行了分析，并根據(jù)編碼質(zhì)量和處理器速度的要求結合計算機仿真結果，介紹了充分利用ADSP2181為音頻處理優(yōu)化的硬件結構，對MPEG解碼算法及DSP設計優(yōu)化的方法。

　　MPEG音頻解碼過程是通過I/O口獲得MPEG音頻碼流數(shù)據(jù)，依照MPEG標準進行解碼，并以PCM碼流格式存放在數(shù)據(jù)空間的緩沖單元中，供直接存儲器存取(DMA)方式使用。MPEG音頻解碼的主程序流程如下：開始-->輸入比特流查找標題-->側信息解碼-->比例因子解碼-->哈夫曼數(shù)據(jù)解碼-->反量化采樣-->頻譜重排序-->減小混疊-->通過IMDCT綜合并重疊-->通過多相濾波器組綜合-->輸出PCM樣點-->結束。

　　可以看出對輸入碼流進行解碼先要經(jīng)過幀同步，讀入同步頭的信息，得到該MPEG音頻碼流的采樣頻率、碼流速率等參數(shù)，并且記錄所解碼的MPEG碼流的幀數(shù)，接著獲取側信息。從側信息中根據(jù)同步頭中所得的MPEG碼流的壓縮類型來讀取信息，獲得對應于各自顆粒中各自通道的相關參數(shù)。然后，對一幀中的兩個顆粒進行解碼，首先從碼流中獲取每個顆粒所對應的比例因子，并對每個顆粒下的數(shù)據(jù)進行霍夫曼解碼，這個霍夫曼解碼過程需要34個霍夫曼碼表之一進行解碼，可以從側信息中含有的每個顆粒選擇碼表的信息來進行選擇。

　　經(jīng)過霍夫曼解碼的數(shù)據(jù)接下來要經(jīng)過反量化采樣。在這一步中，各個子帶的數(shù)據(jù)根據(jù)所使用窗的類型，利用在側信息中獲得參數(shù)反量化。然后是立體聲處理模塊，這個模塊根據(jù)MP3碼流所采用的壓縮類型進行相應的處理。如果MPEG音頻碼流是立體聲或雙聲道壓縮的，那么就要對每一個通道的音頻數(shù)據(jù)進行如下處理：

　　重新排序處理：根據(jù)窗變換標記和所使用窗的類型所決定長窗、短窗和混和窗三種方式進行數(shù)據(jù)的重新排列;

　　抗鋸齒處理：這一步中使用抗鋸齒蝶型對每個子帶中的數(shù)據(jù)進行處理;

　　IMDCT：對每通道中的32個子帶的數(shù)據(jù)根據(jù)所使用窗的不同進行變換，在這一步中需要兩組144點的表用以存儲窗類型數(shù)據(jù)和正弦數(shù)據(jù);

　　多相頻率倒置：對于經(jīng)過IMDCT的子帶數(shù)據(jù)按照在偶數(shù)號子帶中偶數(shù)號數(shù)據(jù)符號取反的原則進行處理，然后將所得數(shù)據(jù)輸入到子帶合成濾波器的輸入緩沖中;

　　子帶合成：這一步需要4.5KB的緩沖用來存儲同步濾波器參數(shù)和同步窗數(shù)據(jù)。

　　這樣，當處理完一個顆粒中所有通道的數(shù)據(jù)后，就可以將這一顆粒已解碼好的數(shù)據(jù)輸出到輸出緩沖區(qū)中。當將下一顆粒的數(shù)據(jù)解碼并輸出后，這樣一幀數(shù)據(jù)解碼完成，這幀數(shù)據(jù)就可以輸入到D/A部分進行播放，并將輸出緩沖清空，等待下一幀的解碼數(shù)據(jù)輸入。解碼程序直到碼流中再也找不到一幀的同步頭時，就完成這一音頻流的解碼。

　　MPEG音頻解碼系統(tǒng)設計

　　MPEG音頻解碼器的解碼算法完全由DSP芯片實現(xiàn)，其控制部分用CPLD實現(xiàn)。電路的整體設計與開發(fā)需要綜合考慮前面兩部分程序算法接口內(nèi)容，可以在進行詳細程序設計的基礎上進行。這樣，可以把MPEG音頻解碼器的開發(fā)工作分為兩大模塊：MPEG音頻解碼程序DSP實現(xiàn)，即軟件設計，以及CPLD控制程序開發(fā)和電路板設計部分，即硬件設計。各個模塊的開發(fā)工作針對該開發(fā)模塊的特點進行。MPEG音頻解碼系統(tǒng)開發(fā)從模塊上可以劃分為硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個部分。軟件主要實現(xiàn)MPEG音頻解碼算法，硬件實現(xiàn)存儲器訪問控制、MPEG音頻文件播放控制以及電源供給等功能。系統(tǒng)總體的功能結構如圖1所示。

　　軟件系統(tǒng)設計方案是用DSP軟件實現(xiàn)MPEG音頻解碼算法功能，并完成相應的接口訪問功能，軟件功能見圖2所示。

　　通過分析，我們可以看出使用DSP作為MPEG音頻解碼系統(tǒng)的核心芯片，并輔助相應的擴展功能模塊，就能夠方便地實現(xiàn)一個獨立的解碼系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)還能夠方便地通過修改DSP中的程序進行系統(tǒng)升級。

　　系統(tǒng)實現(xiàn)的框圖見圖3，該框圖為MPEG音頻解碼系統(tǒng)的基本組成部分，在圖中與計算機的接口芯片采用USB接口芯片，通過USB接口將MPEG等格式的音頻流下載到FLASH存儲器中。除了用于存儲音樂的FLASH之外，還應有存儲MPEG音頻解碼程序及其所用碼表的FLASH存儲器，這種FLASH的速度要求比較快，容量不必很大，一般256K就可以。如果使用ADSP2181，因為其內(nèi)部RAM只有16k，那么片外擴展RAM是必要的。

　　在一般情況下，該系統(tǒng)可以通過其USB接口借助計算機從因特網(wǎng)上下載音頻文件，并將這些文件存儲到FLASH記憶棒中。當聽音樂的時候，啟動該系統(tǒng)的解碼部分，將存于FLASH中的DSP解碼程序加載到DSP中的內(nèi)部RAM中，DSP開始運行解碼程序，從存儲音樂的FLASH中讀取要解碼音頻流，在這種情況下，ADSP2181具有的6通道DMA控制器為系統(tǒng)的設計帶來了很大的便利。ADSP2181在處理器全速運行的情況下可以自動完成DMA口的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，而不需要處理器的干預。利用這個特點，可以通過DMA口來實現(xiàn)ADDSP2181讀入和讀出數(shù)據(jù)。將解碼后的音頻流經(jīng)過D/A后輸出到耳機，就可以聽到MPEG音頻解碼后的音樂了。這個系統(tǒng)的優(yōu)點在于可以根據(jù)音頻技術的發(fā)展，加入新的DSP解碼程序就可以滿足升級的需要。

　　MPEG音頻解碼算法的DSP設計和優(yōu)化

　　1. 程序空間和數(shù)據(jù)空間的安排和優(yōu)化

　　MP3解碼程序所需的程序區(qū)空間約為24KB，所需存儲變量的空間約為10KB，而其在解碼中所需要的各種碼表和參數(shù)所需要的存儲空間約為10KB，因為在MP3解碼中生成和變換的數(shù)據(jù)量比較大，所以需要比較大的堆棧段，經(jīng)過多次測試和比較，其所需空間的大小至少為10KB。另外，在程序運行時還要考慮其所需要的動態(tài)空間的大小。所以根據(jù)以上的要求就可以編寫該程序的CMD文件。

　　在ADSP2181的軟件仿真器下運行該程序，在該仿真器下給出可以利用的資源如下：

　　a. 可以映射到程序區(qū)地址范圍和存儲器類型

　　(0x80到0x2000)：/雙口RAM/

　　(0x2000到0x8000)：/單口RAM，SARAMl/

　　(0x8000：到0x10000)：/外部擴展RAM和ROM/

　　(0x18000到0x20000)：/單口RAM，SARAM2/

　　b. 可以映射到數(shù)據(jù)區(qū)地址范圍和存儲器類型

　　(0x0到0x60)：/內(nèi)存寄存器/

　　(0x60到0x2000)：/雙口RAM/

　　(0x2000到0x8000)：/單口RAM，SARAMl/

　　(0x8000到0x10000)：/外部擴展RAM和ROM/

　　將DSP設置于微處理器模式，并使OVLY為1，編寫CMD文件。如下所示：

　　MEMORY

　　{

　　PAGE 0： DRAM (RWI) ：0=0x0080， 1=0x0500

　　PROG (RWXI) ：0=0x18000， l=0x8000

　　PAGE 1： DATAl (RW) ：0=0x580， l=0x500

　　RAMl (RW) ：0=0xa80， l=0x580

　　RAM2 (RW) ：0=0xl000， l=0x 1000

　　DATA2 (RW) ：0=0x2000， 1=0x6000

　　DA'I'A (RW) ： 0=0x 8000， 1=0x8000

　　}

　　SECTIONS

　　{

　　.text ：>PROG PAGE 0

　　.cinit ：>DRAM PAGE 0

　　.cio ：>DRAM PAGE 0

　　.switch ：>DRAM PAGE 0

　　.bss ：>DATA PAGE 1

　　.const : >DATA1 PAGE 1

　　.sysmem ：>DATA PAGE 1

　　.stack ：>DATA2 PAGE 1

　　.input ： fill=0x00，>RAMl PACE 1，align(256)

　　}

　　2.解碼程序各個模塊計算量的優(yōu)化

　　在進行MPEG音頻解碼之前，有必要做一些準備工作：

　　a. 在數(shù)據(jù)空間劃分大約4.5KB的空間，將在霍夫曼解碼中所用的34個碼表寫入，這部分數(shù)據(jù)地址可以映射到片外擴展的FLASH ROM中去;

　　b. 可以將在IMDCT模塊中的正弦表和窗函數(shù)表寫入到片外擴展的FLASH ROM中，因為這些數(shù)據(jù)都是浮點的，用DSP實時生成比較費時;

　　c. 片外擴展FLASH ROM中還應該有一個4KB的碼表用以存儲用于子帶合成濾波器組的參數(shù)，這些數(shù)據(jù)都是正弦浮點表示，用查表的方式來得到其值是比較快的一種方法。

　　做完這些工作后就可以進行解碼。在解碼的各個模塊中計算量主要集中在反量化采樣、IMDCT和子帶合成濾波模塊，并且以后兩者的計算量為最大。以下將說明在這三個模塊中如何簡化計算量：

　　反量化采樣模塊

　　在這個模塊中涉及較多的是冪指數(shù)運算，并且冪指數(shù)一般不是整數(shù)。如果直接使用C語言所帶的POWER函數(shù)，那么匯編的代碼太長。對其優(yōu)化的辦法是觀察其計算公式，因為公式中所取的各個變量的取值個數(shù)是有限的，所以其計算結果也就是可數(shù)的，因此可以預先計算出這些結果，編成一個表格，根據(jù)實際的變量的選取來作為查表的索引。

　　IMDCT模塊

　　在這個模塊中主要涉及到兩個問題，一是找到一種快速方法來實現(xiàn)求余算法，二是如何快速實現(xiàn)大量的乘累加計算。對于前者，可以使用如下語句來代替求余函數(shù)：

　　n1=2*p+19;

　　n2=2*m+l;

　　n=_smpy(nl，n2);

　　j=n/144;

　　n=n-144*j

　　這樣做可以較大幅度地提高計算速度。對于后者，因為在DSP中有專用的匯編指令來實現(xiàn)乘法累加功能，理論上對定點的乘法累加計算速度比較快。但是在本程序中參加乘法累加運算的都至少是單精度的浮點數(shù)，其運算速度比較慢。因此，有必要將浮點轉定點運算，因為在MPEG音頻流中的數(shù)據(jù)都是16位定點數(shù)據(jù)，可以確定其值的取值范圍，可以將用于乘法累加運算的數(shù)據(jù)乘以一個比較大的系數(shù)，通過舍入運算使其值變?yōu)檎?，利用一個字16位比特可以用32,768到32,767之間的整數(shù)來表示這些數(shù)據(jù)。這樣一來就可以利用在CCS中所提供的INTRISIC函數(shù)庫中的快速運算指令。

　　但是，在以上所說的過程中需要注意防止乘以較大系數(shù)后溢出問題，因為加法器是40位，乘法器是17位乘17位，所以乘法累加的中間結果是不會出現(xiàn)溢出和誤差，因此經(jīng)過放大后的乘累加結果最后再除以放大系數(shù)仍然可以用一個字來表示。這樣的處理使程序結構變復雜，并且?guī)硪欢ǖ纳崛朐肼?。由于是采用?6位量化，引入的舍入噪聲影響不大。而使用INTRISIC函數(shù)庫中的快速運算指令，需要注意DSP的流水線指令操作，以免引起流水線沖突。

　　子帶合成模塊 該模塊主要涉及到乘法累加運算的簡化。