数字技术的高速发展使广播电视进入了由彩色电视向高清晰度电视（ HDTV） 跨越的过渡时代，音/ 视频产品数字化、高清晰度化已成为未来家电视听产品的趋势。 高清电视音频解码方案有欧洲数字视频广播（DVB） 标准采用的MPEG22 （ layer I ，layer II） 和美国A TSC 标准使用的Dolby AC23 两种。 其中DVB 标准被大多数国家接受，中国正在制定的数字电视标准同样是基于DVB 标准。 目前国内外许多公司都在从事高清电视及机顶盒芯片的研究，低成本高性能的芯片具有一定的竞争优势。音频解码是解码芯片的一部分。 作者通过对MPEG-2 多通道音频解码算法介绍及其优化，C 程序定点化，高性能媒体处理器DM642 简介， DSP/BIOS 实现实时音频解码和输出流程，完成了DVB标准的音频算法优化及DSP 移植。
1 DVB 音频算法及改进
DVB 音频是MPEG-2 音频解码标准的子集，它采用MUSICAM 算法进行压缩，利用给定的声音单元对位于临近频率较低声级的声音（或噪声） 有着遮蔽作用，对于听不见的声音单元不进行编码，这有利于在低数据率下进行音频编码。 MPEG-2 支持多通道（5. 1 声道） 和采样率分别为16 ，22. 05 ，24kHz 的低采样率的扩展。 其中低采样率扩展只需对MPEG-1 的比特流和比特分配表进行很小的变动就可实现解码。 MPEG-2 多通道扩展音频解码的帧结构见图1.
MPEG-2 音频帧由MPEG21 音频数据和多通道（MC） 音频数据组成，其中MPEG-2 附加的多声道数据放在MPEG21 的辅助数据区。 由于采用了与MPEG-1 相似的帧结构， MPEG-2 音频可以后向兼容MPEG-1 音频，即MPEG-1 音频解码器可以恢复MPEG-2 音频数据的两声道信息，而用MPEG-2解码器则可以解码完整的多通道音频数据.MPEG-2 音频解码流程如图2 所示。 其解码过程可分解为：帧分解，反量化，逆矩阵解码，子带综合滤波。 当输入比特流经过帧分解后，解码器将位分配信息、量化因子选择信息和音频样点送入反量化器恢复子带样点，子带样点经子带合成滤波器重建各声道的脉冲编码调制（ PCM） 样点。
图2 MPEG-2 音频解码流程
表1 是在DSP 平台上统计解码各步所占用的时间。 可以看出，数值计算主要集中在子带合成滤波，若采用MPEG-1 建议的算法流程［2 ］ ，以两声道48 kHz 采样率为例，乘法运算量为（48 000/ 32） ×（64 ×32 + 512） ×2 = 7 680 000 次/ s. 因此，程序优化主要针对此步骤，并且对多声道音频，优化算法所减少的运算量与声道数成正比，因为子带合成滤波对于每个声道的样点是分别进行的。
2 算法及存储优化
首先，利用合成窗系数的对称性Di = - D512 - ii = 1 ，2 .255 （不包含64 ，128 ，192）
（1）对于特殊的点
64 = D448 ; D128 = D384 ; D192 =D320 ; D0 = 0 ; D256 = 1.144 989 014因此只需要存储257 个点，就可以表示原来的512个点，窗系数存储量减少了一半。
进一步对标准ISO/ IEC 11172-3附录B 的位分配表观察可知，表B2. b 是对表B2. a 的扩展，表B2. d 也是对表B2. c 的扩展，因此实际只需存储表B2. b 和B2. d ，设计读表法就可以访问4 张表格的数据，位分配表存储量也降低为原来的一半。 子带合成滤波流程见标准ISO/ IEC11172-3附录图A. 2 ，标准中规定的流程复杂，中间变量多。根据文献可以对标准里的合成子带滤波器流程简化：
其中
i 为窗系数; Sk 为子带样点。
经过以上变换， 省略了中间变量U 和W 。 且利用余弦函数性质，由32 点的Xi 代替64 点V i 。 简化了子带合成滤波的步骤， 并使存储量减少到一半以上，为代码移植到DSP 节省了存储空间。 计算式（3） 时， 利用Byeong G. L EE 快速算法的改进算法将32 点DCT 进行分解：
重复这样的运算，可进一步分解为更少点数的DCT ，每分解一次，乘法运算和加法运算可减少一半。 以32 点DCT 为例， 乘法和加法运算分别为1 024次和992 次。 将其分解为两个16 点的DCT后，乘法和加法次数分别减少到529 和527 次。 考虑到定点DSP 的有限字长效应，实际只需分解一次，将32 点DCT 化成两个16 点的DCT. 简化子带滤波流程以及使用快速DCT 变换后，子带合成滤波部分的运算量减少了约60 %.
用C语言进行算法验证时，考虑到不同机器的通用性，对于解码后的PCM 样点分别采用不同的格式封装： 对于Intel 系列的机器，采用小端格式（Lit tle Endian） ，故解码后样点以wave 格式封装;对于Motorola ， Macintosh 等机器，采用大端格式（Big Endian） ，因而解码后样点采用aiff 格式封装。这样解码后的音频就可直接用winamp 等软件进行播放，测试效果。
3 定点化程序及性能分析
实现解码时描述算法采用浮点程序，以确保精度，但速度慢。 为了在定点DSP 上实现解码，程序必须进行定点化，以有限精度实现。 定点化程序时，以浮点程序为模板，逐个将模块改造成定点。 每做完一个模块，将定点程序解码结果与浮点程序的解码结果进行比较，直到差值达到要求为止。 每个模块改造前，先估计本模块内数据动态范围，再决定采用何种精度。 其中余弦函数的定点运算通过查表法实现，即先把［ 0 ，π/ 2］间划分为212 个小格子，然后把弧度值映射到小格子上，通过查表 读取结果。为了对定点化程序进行测试，由式（8） 计算定点解码结果与浮点解码结果信噪比：
其中
CMfix 为定点程序解码结果; PCMfloat 为浮点程序解码结果; 65 535. 0 为两个16 位PCM 样点之差的最大值。有的文献以∑PCM2float 为分子，这样算出来的结果与特定的码流有关，若码流PCM 样点值较大，计算出信噪比则较大。 而式（8） 不受具体码流的影响，客观地对不同码流作出评价对比。 定点程序分别经过男声、女声，小提琴声，海浪声和进行曲乐声等码流测试，SNR 都在74～78 dB 范围内，获得了较好的效果。
4 定点DSP 实现音频解码算法
TMS320DM642 是Ti 公司最新推出的一款针对多媒体处理领域的DSP ，它在C64x 的基础上，增加了许多外围设备和接口。 频率为600 MHz 的DM642 能够以30 帧的速度同时处理多达4 个分辨率为D1 （720 ×480） 的MPEG2 视频编码译码器。 此外，DM642 还能实时进行全面的Main-Profile-at-Main-Level （MP @ML） MPEG-2 视频编码，具有32MB 外部SDRAM、4 MB 闪存、组合视频输入/ 输出、S-视频输入/ 输出、V GA 输出端口以及支持媒体流的以太网端口。
Y32 = X132 X232 = X1low16 ？X2low16 +（ X1high16 ？X2low16 + X1low16 X2high16 ） n
经过测试，该式计算对性能没有影响。
1） 输入控制
DSP 解码时，将待解压缩的mp3文件转化成dat 格式的文件，DSP 可直接将dat 格式的数据加载到片外存储器中。 具体方法为，先在程序中定义一个与mp3 文件相同大小的数组，然后将dat 文件放到数组首地址所指向的区域并指定数据长度。 由于mp3 文件大小为几兆，所以定义的数组长度超过bss 段最大偏移，需定义成far 型;也可以不用far 声明数组，而将编译方式改成大模式。大模式下bss 段的大小无任何限制，但编译器对变量使用寄存器间接寻址方式，这样需要3 条指令才能加载一个变量，故对变量存取速度很慢。
2） 输出控制：采用DSP 提供的实时操作系统
DSP/ BIOS 实现实时输出音频。 首先在DSP/ BIOS配置工具中建立TSK 对象，并与解码函数相对应，然后指定函数优先级，DSP/ BIOS 将自动进行任务调度和执行。 在配置工具中还需指定内存分配情况。 DM642 中L2 cache 和片内存储器共用，可使用芯片支持库CSL 的API 函数分配cache 及片内存储器大小。 片内存储器的一部分作为子带滤波器申诸的动态空间。
调试时可以用LOG 对象显示解码进度， 以LOG_ printf 代替C 语言调试中的printf ， 因为printf 不是DSP 中的指令，将占用大量的时钟周期，在对实时性要求很高的应用中根本无法满足要求。 LOG_printf 语句可以满足实时要求。 先在DSP/BIOS 配置工具里建立一个LO G 对象，在Message窗口可实时观测程序进度，几乎不影响程序性能.DSP/ BIOS 提供两种数据传输模型，管道模型（pipe） 用于PIP 和HST 模块;流模型（ st ream） 用于SIO 和DEV 模块。 管道支持底层的通信，而流支持高级的与设备无关的I/ O. 音频口输出时采用流模型，流和I/ O 设备交互的数据流向如图3 所示。 流模块（SIO） 使用驱动程序（由DEV 模块管理） 与这些设备交互。 控制输出前先进行初始化，即在DSP/BIOS 配置工具里定义一个User-Defined Devices对象， 再使用音频口初始化函数_EVMDM642 _EDMA_AIC23_init 对此对象进行初始化。 上层的API 函数即可对这个设备进行操作，通过结构体SIO_At t r s 设置设备特征。
图3 流和设备间的交互
图4 输出数据流向
5 结语
DM642 作为Ti 推出的新一代媒体处理器，具有强大的信号处理能力，可以完成实时高清信源解码。 音频解码器经过算法优化和DSP 移植优化，算法的运行速度和存储量均有明显改善。 5. 1 声道音频实时解码需要50MIPS 的运算量，给高清电视信源解码中解复用和视频解码留下足够的资源。 本系统的实现对于设计高清电视信源解码芯片具有指导意义，DSP/ BIOS 的使用为进一步在DSP 上实现MPEG-4 视频和音频算法提供了有效的设计***也可以应用于数字音频广播（DAB） 接收机信源解码.
数字技术的高速发展使广播电视进入了由彩色电视向高清晰度电视（ HDTV） 跨越的过渡时代，音/ 视频产品数字化、高清晰度化已成为未来家电视听产品的趋势。 高清电视音频解码方案有欧洲数字视频广播（DVB） 标准采用的MPEG22 （ layer I ，layer II） 和美国A TSC 标准使用的Dolby AC23 两种。 其中DVB 标准被大多数国家接受，中国正在制定的数字电视标准同样是基于DVB 标准。 目前国内外许多公司都在从事高清电视及机顶盒芯片的研究，低成本高性能的芯片具有一定的竞争优势。音频解码是解码芯片的一部分。 作者通过对MPEG-2 多通道音频解码算法介绍及其优化，C 程序定点化，高性能媒体处理器DM642 简介， DSP/BIOS 实现实时音频解码和输出流程，完成了DVB标准的音频算法优化及DSP 移植。
1 DVB 音频算法及改进
DVB 音频是MPEG-2 音频解码标准的子集，它采用MUSICAM 算法进行压缩，利用给定的声音单元对位于临近频率较低声级的声音（或噪声） 有着遮蔽作用，对于听不见的声音单元不进行编码，这有利于在低数据率下进行音频编码。 MPEG-2 支持多通道（5. 1 声道） 和采样率分别为16 ，22. 05 ，24kHz 的低采样率的扩展。 其中低采样率扩展只需对MPEG-1 的比特流和比特分配表进行很小的变动就可实现解码。 MPEG-2 多通道扩展音频解码的帧结构见图1.
MPEG-2 音频帧由MPEG21 音频数据和多通道（MC） 音频数据组成，其中MPEG-2 附加的多声道数据放在MPEG21 的辅助数据区。 由于采用了与MPEG-1 相似的帧结构， MPEG-2 音频可以后向兼容MPEG-1 音频，即MPEG-1 音频解码器可以恢复MPEG-2 音频数据的两声道信息，而用MPEG-2解码器则可以解码完整的多通道音频数据.MPEG-2 音频解码流程如图2 所示。 其解码过程可分解为：帧分解，反量化，逆矩阵解码，子带综合滤波。 当输入比特流经过帧分解后，解码器将位分配信息、量化因子选择信息和音频样点送入反量化器恢复子带样点，子带样点经子带合成滤波器重建各声道的脉冲编码调制（ PCM） 样点。
图2 MPEG-2 音频解码流程
表1 是在DSP 平台上统计解码各步所占用的时间。 可以看出，数值计算主要集中在子带合成滤波，若采用MPEG-1 建议的算法流程［2 ］ ，以两声道48 kHz 采样率为例，乘法运算量为（48 000/ 32） ×（64 ×32 + 512） ×2 = 7 680 000 次/ s. 因此，程序优化主要针对此步骤，并且对多声道音频，优化算法所减少的运算量与声道数成正比，因为子带合成滤波对于每个声道的样点是分别进行的。
2 算法及存储优化
首先，利用合成窗系数的对称性Di = - D512 - ii = 1 ，2 .255 （不包含64 ，128 ，192）
（1）对于特殊的点
64 = D448 ; D128 = D384 ; D192 =D320 ; D0 = 0 ; D256 = 1.144 989 014因此只需要存储257 个点，就可以表示原来的512个点，窗系数存储量减少了一半。
进一步对标准ISO/ IEC 11172-3附录B 的位分配表观察可知，表B2. b 是对表B2. a 的扩展，表B2. d 也是对表B2. c 的扩展，因此实际只需存储表B2. b 和B2. d ，设计读表法就可以访问4 张表格的数据，位分配表存储量也降低为原来的一半。 子带合成滤波流程见标准ISO/ IEC11172-3附录图A. 2 ，标准中规定的流程复杂，中间变量多。根据文献可以对标准里的合成子带滤波器流程简化：
其中
i 为窗系数; Sk 为子带样点。
经过以上变换， 省略了中间变量U 和W 。 且利用余弦函数性质，由32 点的Xi 代替64 点V i 。 简化了子带合成滤波的步骤， 并使存储量减少到一半以上，为代码移植到DSP 节省了存储空间。 计算式（3） 时， 利用Byeong G. L EE 快速算法的改进算法将32 点DCT 进行分解：
重复这样的运算，可进一步分解为更少点数的DCT ，每分解一次，乘法运算和加法运算可减少一半。 以32 点DCT 为例， 乘法和加法运算分别为1 024次和992 次。 将其分解为两个16 点的DCT后，乘法和加法次数分别减少到529 和527 次。 考虑到定点DSP 的有限字长效应，实际只需分解一次，将32 点DCT 化成两个16 点的DCT. 简化子带滤波流程以及使用快速DCT 变换后，子带合成滤波部分的运算量减少了约60 %.
用C语言进行算法验证时，考虑到不同机器的通用性，对于解码后的PCM 样点分别采用不同的格式封装： 对于Intel 系列的机器，采用小端格式（Lit tle Endian） ，故解码后样点以wave 格式封装;对于Motorola ， Macintosh 等机器，采用大端格式（Big Endian） ，因而解码后样点采用aiff 格式封装。这样解码后的音频就可直接用winamp 等软件进行播放，测试效果。
3 定点化程序及性能分析
实现解码时描述算法采用浮点程序，以确保精度，但速度慢。 为了在定点DSP 上实现解码，程序必须进行定点化，以有限精度实现。 定点化程序时，以浮点程序为模板，逐个将模块改造成定点。 每做完一个模块，将定点程序解码结果与浮点程序的解码结果进行比较，直到差值达到要求为止。 每个模块改造前，先估计本模块内数据动态范围，再决定采用何种精度。 其中余弦函数的定点运算通过查表法实现，即先把［ 0 ，π/ 2］间划分为212 个小格子，然后把弧度值映射到小格子上，通过查表 读取结果。为了对定点化程序进行测试，由式（8） 计算定点解码结果与浮点解码结果信噪比：
其中
CMfix 为定点程序解码结果; PCMfloat 为浮点程序解码结果; 65 535. 0 为两个16 位PCM 样点之差的最大值。有的文献以∑PCM2float 为分子，这样算出来的结果与特定的码流有关，若码流PCM 样点值较大，计算出信噪比则较大。 而式（8） 不受具体码流的影响，客观地对不同码流作出评价对比。 定点程序分别经过男声、女声，小提琴声，海浪声和进行曲乐声等码流测试，SNR 都在74～78 dB 范围内，获得了较好的效果。
4 定点DSP 实现音频解码算法
TMS320DM642 是Ti 公司最新推出的一款针对多媒体处理领域的DSP ，它在C64x 的基础上，增加了许多外围设备和接口。 频率为600 MHz 的DM642 能够以30 帧的速度同时处理多达4 个分辨率为D1 （720 ×480） 的MPEG2 视频编码译码器。 此外，DM642 还能实时进行全面的Main-Profile-at-Main-Level （MP @ML） MPEG-2 视频编码，具有32MB 外部SDRAM、4 MB 闪存、组合视频输入/ 输出、S-视频输入/ 输出、V GA 输出端口以及支持媒体流的以太网端口。
Y32 = X132 X232 = X1low16 ？X2low16 +（ X1high16 ？X2low16 + X1low16 X2high16 ） n
经过测试，该式计算对性能没有影响。
1） 输入控制
DSP 解码时，将待解压缩的mp3文件转化成dat 格式的文件，DSP 可直接将dat 格式的数据加载到片外存储器中。 具体方法为，先在程序中定义一个与mp3 文件相同大小的数组，然后将dat 文件放到数组首地址所指向的区域并指定数据长度。 由于mp3 文件大小为几兆，所以定义的数组长度超过bss 段最大偏移，需定义成far 型;也可以不用far 声明数组，而将编译方式改成大模式。大模式下bss 段的大小无任何限制，但编译器对变量使用寄存器间接寻址方式，这样需要3 条指令才能加载一个变量，故对变量存取速度很慢。
2） 输出控制：采用DSP 提供的实时操作系统
DSP/ BIOS 实现实时输出音频。 首先在DSP/ BIOS配置工具中建立TSK 对象，并与解码函数相对应，然后指定函数优先级，DSP/ BIOS 将自动进行任务调度和执行。 在配置工具中还需指定内存分配情况。 DM642 中L2 cache 和片内存储器共用，可使用芯片支持库CSL 的API 函数分配cache 及片内存储器大小。 片内存储器的一部分作为子带滤波器申诸的动态空间。
调试时可以用LOG 对象显示解码进度， 以LOG_ printf 代替C 语言调试中的printf ， 因为printf 不是DSP 中的指令，将占用大量的时钟周期，在对实时性要求很高的应用中根本无法满足要求。 LOG_printf 语句可以满足实时要求。 先在DSP/BIOS 配置工具里建立一个LO G 对象，在Message窗口可实时观测程序进度，几乎不影响程序性能.DSP/ BIOS 提供两种数据传输模型，管道模型（pipe） 用于PIP 和HST 模块;流模型（ st ream） 用于SIO 和DEV 模块。 管道支持底层的通信，而流支持高级的与设备无关的I/ O. 音频口输出时采用流模型，流和I/ O 设备交互的数据流向如图3 所示。 流模块（SIO） 使用驱动程序（由DEV 模块管理） 与这些设备交互。 控制输出前先进行初始化，即在DSP/BIOS 配置工具里定义一个User-Defined Devices对象， 再使用音频口初始化函数_EVMDM642 _EDMA_AIC23_init 对此对象进行初始化。 上层的API 函数即可对这个设备进行操作，通过结构体SIO_At t r s 设置设备特征。
图3 流和设备间的交互
图4 输出数据流向
5 结语
DM642 作为Ti 推出的新一代媒体处理器，具有强大的信号处理能力，可以完成实时高清信源解码。 音频解码器经过算法优化和DSP 移植优化，算法的运行速度和存储量均有明显改善。 5. 1 声道音频实时解码需要50MIPS 的运算量，给高清电视信源解码中解复用和视频解码留下足够的资源。 本系统的实现对于设计高清电视信源解码芯片具有指导意义，DSP/ BIOS 的使用为进一步在DSP 上实现MPEG-4 视频和音频算法提供了有效的设计***也可以应用于数字音频广播（DAB） 接收机信源解码.
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