基于DSP的车载娱乐系统设计 - 全文

　　车载娱乐系统的技术发展趋势正在变得日益复杂，通过铜缆发送音频数据的简单音频系统已经成为过去。为了满足多通道音频处理和分布式视频的要求，复杂的网络处理变得越来越流行。特别是与数字传输内容保护(DTCP)加密和解密方法相关的面向媒体的系统传输(MOST)光网络正在被许多高挡和中档汽车采用，这种趋势以及车载音频系统通常必须以变化的采样频率适应多种输入源(调幅和调频、CD、DVD、蜂窝电话和导航系统输入)这个事实给数字信号处理器(DSP)供应商增加了压力，要求他们提供增强性能和更高集成度的处理器。

　　基于MOST的车载高端娱乐系统

　　MOST总线专门用于满足要求严格的车载环境。这种新的基于光纤的网络能够支持24.8Mbps的数据速率，与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰(EMI)的优势。

　　MOST总线基于环形拓扑，从而允许共享多个发送和接收器的数据。MOST总线主控器(通常位于汽车音响主机处)有助于数据采集，所以该网络可支持多个主拓扑结构，在一个网络上最多高达64个主设备。为了确保数据安全，总线主控器在上电时将查询总线上的每一台从设备并且完成自动密钥交换(AKE)。如果从设备有一个有效的总线密钥，那么允许它使用预定的协议发送和接收MOST总线上的数据。

　　MOST传输协议由分割成帧的数据块组成，每一帧包含流数据、分组数据和控制数据。流数据与MOST时钟同步并且不断地在网络中循环传输。分组数据与MOST时钟异步，根据需要产生，其中一个例子就是来自无线个人数字助理(PDA)设备的电子邮件。帧中分配给流数据和分组数据之间的带宽是可变的，以满足系统在特定的时间需求，并且其控制字包含数据类型、在帧中什么地方可以找到数据以及数据大小等流信息。控制信息可以在多个帧中分配，并且应该在接收设备中重建。

　　音频处理

　　图1给出了一个简单的基于MOST总线的车载音频娱乐系统。来自DVD播放器音频源内容，例如PCM、AC3和DTS通过SPDIF链路传送到主机。SPDIF链路将以音频源的采样频率(FS_in1)工作，例如对于CD音频为44.1kHz，对于AC3和DTS等DVD视频内容为48KHz。当要将编码的音频数据传输到网络上时，在传输之前必须对传输内容进行加密以阻止盗版拷贝。通常对于车载系统可选的加密机制是DTCP，该机制将在下面介绍。

 

图1：基于MOST总线的典型车载高端娱乐系统

　　ADI公司的BlackFin处理器架构非常适合于这种功能，因为它具有丰富的外设和优化的指令集，从而能使它完成类似微控制器(MCU)的工作以及传统DSP的工作。同时，导航系统公告(Navigation System Announcement)也必须通过MOST总线传输到放大器，以允许驾驶员在驾驶时能够听到指令。这些基于PCM的信号通常基于12.24kHz立体声，我们称之为FS_in2。MOST收发器可收发多种音频源信号，并且重新将数据安排成数据块以便在总线上传输(如图2所示)。

 

图2：基于MOST总线的车载音频娱乐系统原理图

　　一些音频数据包中可能采用DTCP加密(如FS_in1)，它们通过总线传输到放大器部分，而这部分通常位于汽车尾部(见图3)。

 

图3：放大器系统处理流程

　　当音频源数据通过MOST总线发送后，DSP必须重构原始分组数据，并且如果数据是DTCP加密的，则需要将数据流解密为最初的形式。通过MOST总线传输的副作用就是丢失了源音频的原始采样速率，即使采用时钟重构技术，原始的源采样率也无法精确地重构，这将导致DSP缓存器中可听到的“pop”声以及声音丢失。

　　为了进一步增加系统的复杂性，使用DTCP的加密技术已经成为网络应用中的必备条件，从而可为通过网络的数字数据提供安全。DTCP有四层拷贝保护机制：拷贝控制信息(CCI)、设备鉴别和AKE、内容加密和系统更新。

　　拷贝控制信息(CCI)是以通过网络传输的内容为基础，并且它由内容拥有者决定，例如“免费拷贝”、“禁止拷贝”、“不再拷贝”和“拷贝一次”。在交换任何内容之前，网络上的设备必须确定是否它们是原始内容。有完全鉴权和受限访问鉴权两个级别。在密钥交换之后，可通过网络传输内容。采用预定义基本密码引擎加密和解密内容，并且放入MOST传输协议的保护内容包中，该保护包具有包头签名以识别已经加密的内容。

　　下一代系统问题的解决方案

　　基于网络的车载娱乐系统的系统相关问题日益增加，为了解决这些问题，ADI公司已经开发出了SHARC ADSP-21365处理器。

 

图4：ADI公司用于车载娱乐的ADSP-21365 SHARC处理器

ADSP-21365是一款32/40b的浮点单指令多数据(SIMD)信号处理器，它具有内置4Mb的ROM，完全支持所有多声道解码器标准，例如Dolby Digital解码器、DTS解码器以及包括DPL2x、Neo6等后处理模块。客户专用后处理模块可以在3Mb的内部RAM上执行，客户利用Visual Audio(见后文)这样的音频专用开发工具能够在较短的时间内增加他们后处理的类别。

 

图5：定点和浮点处理器的SNR值

　　为了解决多个音频源采用不同基本采样率的问题，ADI公司已经将AD1896独立的采样率转换器集成在到ADSP-21365中。它具有8个通道的采样转换和高达140dB的性能，多个音频源不需要存储器和MIPS开销，并且所有的输出后处理都能运行在单采样速率条件下，以进一步减少数据流的复杂度。

　　其它音频专用外设包括6个串行端口，并且支持TDM和I2S，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接与数字音频源连接。

　　ADSP-21365 SHARC DSP也包括一个基于DTCP M6密码引擎(与DTLA兼容)的硬件。外设具有两个专用的DMA总线，在不需要内核干涉的条件下，允许高速传输到M6或者从M6传输，并且具有对加密和解密的本地支持。ADSP-21365实现了完成DTCP兼容系统的简单设计途径。密码引擎支持密钥动态更新的功能，用户可以使用内置定时器设置密钥更新和改变的间隔周期，以增加在网络上的安全性。

　　音频处理包括FIR和IIR滤波器的密集使用。在递归运算中，由于信号的数字表示产生的量化误差可能会引起音频质量的下降。高端音频处理器，例如ADI公司的SHARC处理器，使用浮点表示音频信号以减少这种误差。

 

图6：浮点和定点处理器的动态范围比较

　　在高档音频系统中，通常声音的质量是通过如何准确地再现小幅度或非常安静的声音来衡量的。随着音频信号幅度变得越来越小，定点处理器精确再现这种信号的能力是有限的，但是对于浮点处理器而言，保持音频等级的精度包含在固定的界限内，并且具有186dB的最小SNR。SHARC处理器具有40b浮点精度和80b的累加器，从而可以实现非常高性能的音频。

　　家庭影院音频处理器的另一个重要特性就是动态范围。动态范围定义为在音频处理器能够没有下溢或溢出条件下再现音频信号幅度的最小值和最大值的比值。同样的，浮点处理器远远超越了定点处理器所能实现的动态范围。

　　随着预解码器算法和后解码器算法的复杂度日益增加，实现家庭影院体验需要的MIPS数或执行周期数也始终在增加。为了解决这些问题，最显然的方法就是增加信号处理器的时钟频率。

　　由于硅工艺的限制，这种方法实现起来有很多障碍，因此信号处理器供应商通过改进处理器架构来解决这个问题。一些信号处理器供应商已经采用MIMD架构，即在一个时钟周期内执行多条指令同时完成多个数据移动。该架构需要更多的存储器，因此直接影响到芯片的成本。SHARC处理器架构采用SIMD的创新方法，可采用相同的指令隐含地完成第二个平行的算术单元，因此使得代码更紧凑从而可以降低完成这些算法所需的MIPS数。鉴于这种SIMD架构，音频信号处理器无需额外的处理开销可并行地处理立体声信号。SHARC内核基于完全互锁的5阶代码流水线，这意味着程序员无需担心数据什么时候可用即可随时写入代码。算法流水线优化为1个时钟周期，这意味着计算结果在下一个周期立即提供以便进一步计算。

　　由于ADSP-21365 SHARC处理器提供车载音频专用外设和基于32b浮点内核的SIMD，所以它能使音频系统达到新的性能水平。

　　使用Visual Audio定制音频后处理设计

　　过去，DSP用户面临的挑战就是最佳利用处理器时钟周期和有效利用存储器的软件开发。采用汇编语言手动编码音频信号处理算法这种长期使用的方法已经越来越不可行，特别是这种方法需要将大部分的精力放在创建标准的“项目清单”或“me-too”功能，而不是集中精力通过增加产品差异化价值。因此，需要一种开发音频软件的改进方法。

　　为了满足这种需求，ADI公司开发出一种Visual Audio图形环境以帮助设计和开发使用SHARC处理器系列的音频系统。Visual Audio为音频系统开发工程师提供了大部分的软件模块，以及直观的图形用户截面，以便设计、开发、调试和测试音频系统，如图6所示。

 

图7：Visual Audio图形接口显示屏示例

　　Visual Audio包含一个基于PC的图形用户界面(GUI，图形工具)、一个DSP内核以及一个可扩展的音频算法库。与ADI公司的VisualDSP++集成开发和调试环境(IDDE)配合使用，Visual Audio可提供对MIPS和存储器利用都经过优化的现有产品代码。通过简化开发复杂数字信号处理软件的过程，Visual Audio降低了开发成本、风险和时间。因此，音频系统开发工程师能够集中精力增加他们的音频产品价值以使其与其它产品实现差异化。

　　Visual Audio工具允许设计工程师使用直观的图形工具集中精力开发定制后处理模块，该图形工具和强大的SHARC架构以及内置ROM解码器功能结合在一起，从而允许快速、简化系统开发和产品配置。