蓝光高清音频用例 - 深度探讨高清音频IC设计难题

　　蓝光高清音频用例

　　一个高清音频的计算密集型蓝光使用案例包含主音频（main audio）和子音频（sub audio）流，以及一个音效流（effects stream）。主音频流可结合DTS-HD 主音频（见前述蓝光光盘一节）或杜比TrueHD 7.1声道，用于播放光盘。子音频流可采用DTS-HD Express或杜比数字Plus，以获得额外的数据，例如，从互联网下载电影中的导演加注。音效流则是一个简单的PCM音频流，为屏幕菜单增添音效的选择。

　　编码流可使用DTS 5.1编码器或杜比数字5.1编码器，而编码必须把数据以压缩的格式传送给一个兼容的音频/视频接收器（比如经由S/PDIF电缆）。混合信号在发送给扬声器之前可能需要后处理功能，以补偿声音失配播放环境或各种不同的音频不完整性。

　　

　　图2 5.1编码系统

　　高清音频IC的设计挑战

　　在设计高清音频IC时，有若干因素需要考虑。高清音频最重要的特性是数据流量，因为相比传统的音频应用，高清音频数据流量大大提高。仅对 I/O而言，这种数据流量在某些编解码器就可能达到24.5Mb/s的输入速率和在27.6Mb/s的输出速率下达致每秒96kHz×8×24位的输出。这就需要一种新的IC设计方案来确保这些挑战得到解决，同时保证音频的质量。

　　另外，一些采样频率达192kHz、带6个或8个声道，并且运算精度很高的无损音频编解码器，如DTS-HD主音频或杜比TrueHD，它们的计算要求极高。如果不予以改进，单单一个编解码器就可能消耗掉传统DSP的全部MHz预算。

　　性能要求

　　如上所述，高清音频实现方案（如蓝光光盘应用）的数据处理要求非常高。在如此高的数据率下，很多现有的单核DSP解决方案都无法保证高质量的数据处理，故业界不少解决方案开始倾向于采用能够满足视频结合音频的处理开销要求的双内核方案。

　　而且，在DSP解决方案的实现中，除了强制性及可选音频编解码器之外，还需要许多后处理功能，而这些后处理功能正是众多实现方案的差异化因素。由于在处理最小的高清音频编解码器时，许多单核DSP都会有过载的情况，所以几乎没有什么剩余能力可言，即便有，也差不多都是用于强制性后处理。

　　芯片尺寸/功耗考虑

　　由于制造商和设计人员不得不应对挑战，把所有必要的处理功能全部塞入尺寸越来越小的芯片中，这使现有的芯片尺寸也面临着巨大的压力。采用多核解决方案虽然可以提供这些处理能力，但芯片尺寸、相应的价格增加和驱动子系统所需的电能之间的权衡都可能往往令人望而却步。特别在满足具有特殊功率和外形尺寸限制的高清设备（如便携游戏机）要求时，这一点尤其关键。

　　即使对于非移动设备，功耗也是一个重要的考虑因素，因为它影响到设备的散热性能。较高的功耗可能需要某些冷却手段，从而对产品的总体设计造成影响。

　　任务切换的存储器交换

　　高清音频系统中必须执行大量并行任务，故需要非常频繁的存储器交换。这些交换必然会致使存储器带宽过载，让系统无法处理增加的总线流量，最终快速降低音质。另外因为指令集常常采用32位格式编写，这又使得指令更大，指令间间隔更长，进一步加剧数据过载问题，而16位指令集可以减轻这种负载。在数据方面，某些高清音频编解码器需要100Kb以上的数据RAM外加相当大的数据表，也就是强制要求利用存储器交换以高效利用RAM存储器。

　　慢速外部存储器存取

　　许多在DSP上运行的音频算法传统上均以非序列（non-sequential）的方式对大容量缓存进行存取。一般而言，这些缓存都太大，无法驻留在处理器的片上存储器中，故它们必须置于速度较慢的外部存储器中，如DDR SDRAM。另外，非序列存取也给维持高性能的目标带来一个挑战。由于音频解码器常常与视频解码器争夺数据总线吞吐量，故存储器存取效率非常重要。要提供高质量的音频体验，就必须解决这个难题以实现稳定的性能。