數(shù)字技術(shù)的高速發(fā)展使廣播電視進(jìn)入了由彩色電視向高清晰度電視( HDTV) 跨越的過渡時(shí)代,音/ 視頻產(chǎn)品數(shù)字化、高清晰度化已成為未來家電視聽產(chǎn)品的趨勢(shì). 高清電視音頻解碼方案有歐洲數(shù)字視頻廣播(DVB) 標(biāo)準(zhǔn)采用的MPEG22 ( layer I ,layer II) 和美國(guó)A TSC 標(biāo)準(zhǔn)使用的Dolby AC23 兩種. 其中DVB 標(biāo)準(zhǔn)被大多數(shù)國(guó)家接受,中國(guó)正在制定的數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)同樣是基于DVB 標(biāo)準(zhǔn). 目前國(guó)內(nèi)外許多公司都在從事高清電視及機(jī)頂盒芯片的研究,低成本高性能的芯片具有一定的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì).音頻解碼是解碼芯片的一部分. 作者通過對(duì)MPEG-2 多通道音頻解碼算法介紹及其優(yōu)化,C 程序定點(diǎn)化,高性能媒體處理器DM642 簡(jiǎn)介, DSP/BIOS 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)音頻解碼和輸出流程,完成了DVB標(biāo)準(zhǔn)的音頻算法優(yōu)化及DSP 移植.

1 DVB 音頻算法及改進(jìn)

DVB 音頻是MPEG-2 音頻解碼標(biāo)準(zhǔn)的子集,它采用MUSICAM 算法進(jìn)行壓縮,利用給定的聲音單元對(duì)位于臨近頻率較低聲級(jí)的聲音(或噪聲) 有著遮蔽作用,對(duì)于聽不見的聲音單元不進(jìn)行編碼,這有利于在低數(shù)據(jù)率下進(jìn)行音頻編碼. MPEG-2 支持多通道(5. 1 聲道) 和采樣率分別為16 ,22. 05 ,24kHz 的低采樣率的擴(kuò)展. 其中低采樣率擴(kuò)展只需對(duì)MPEG-1 的比特流和比特分配表進(jìn)行很小的變動(dòng)就可實(shí)現(xiàn)解碼. MPEG-2 多通道擴(kuò)展音頻解碼的幀結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 MPEG-2 音頻幀

MPEG-2 音頻幀由MPEG21 音頻數(shù)據(jù)和多通道(MC) 音頻數(shù)據(jù)組成,其中MPEG-2 附加的多聲道數(shù)據(jù)放在MPEG21 的輔助數(shù)據(jù)區(qū). 由于采用了與MPEG-1 相似的幀結(jié)構(gòu), MPEG-2 音頻可以后向兼容MPEG-1 音頻,即MPEG-1 音頻解碼器可以恢復(fù)MPEG-2 音頻數(shù)據(jù)的兩聲道信息,而用MPEG-2解碼器則可以解碼完整的多通道音頻數(shù)據(jù).MPEG-2 音頻解碼流程如圖2 所示. 其解碼過程可分解為:幀分解,反量化,逆矩陣解碼,子帶綜合濾波. 當(dāng)輸入比特流經(jīng)過幀分解后,解碼器將位分配信息、量化因子選擇信息和音頻樣點(diǎn)送入反量化器恢復(fù)子帶樣點(diǎn),子帶樣點(diǎn)經(jīng)子帶合成濾波器重建各聲道的脈沖編碼調(diào)制( PCM) 樣點(diǎn).

圖2 MPEG-2 音頻解碼流程

表1 是在DSP 平臺(tái)上統(tǒng)計(jì)解碼各步所占用的時(shí)間. 可以看出,數(shù)值計(jì)算主要集中在子帶合成濾波,若采用MPEG-1 建議的算法流程[2 ] ,以兩聲道48 kHz 采樣率為例,乘法運(yùn)算量為(48 000/ 32) ×(64 ×32 + 512) ×2 = 7 680 000 次/ s. 因此,程序優(yōu)化主要針對(duì)此步驟,并且對(duì)多聲道音頻,優(yōu)化算法所減少的運(yùn)算量與聲道數(shù)成正比,因?yàn)樽訋Ш铣蔀V波對(duì)于每個(gè)聲道的樣點(diǎn)是分別進(jìn)行的.

2 算法及存儲(chǔ)優(yōu)化

首先,利用合成窗系數(shù)的對(duì)稱性

　　Di = - D512 - i　　　　i = 1 ,2 .255 (不包含64 ,128 ,192) (1)

對(duì)于特殊的點(diǎn):D64 = D448 ; D128 = D384 ; D192 =D320 ; D0 = 0 ; D256 = 1.144 989 014因此只需要存儲(chǔ)257 個(gè)點(diǎn),就可以表示原來的512個(gè)點(diǎn),窗系數(shù)存儲(chǔ)量減少了一半.

進(jìn)一步對(duì)標(biāo)準(zhǔn)ISO/ IEC 11172-3附錄B 的位分配表觀察可知,表B2. b 是對(duì)表B2. a 的擴(kuò)展,表B2. d 也是對(duì)表B2. c 的擴(kuò)展,因此實(shí)際只需存儲(chǔ)表B2. b 和B2. d ,設(shè)計(jì)讀表法就可以訪問4 張表格的數(shù)據(jù),位分配表存儲(chǔ)量也降低為原來的一半. 子帶合成濾波流程見標(biāo)準(zhǔn)ISO/ IEC11172-3附錄圖A. 2 ,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的流程復(fù)雜,中間變量多.根據(jù)文獻(xiàn)可以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)里的合成子帶濾波器流程簡(jiǎn)化:

其中:Di 為窗系數(shù); Sk 為子帶樣點(diǎn).

經(jīng)過以上變換, 省略了中間變量U 和W . 且利用余弦函數(shù)性質(zhì),由32 點(diǎn)的Xi 代替64 點(diǎn)V i . 簡(jiǎn)化了子帶合成濾波的步驟, 并使存儲(chǔ)量減少到一半以上,為代碼移植到DSP 節(jié)省了存儲(chǔ)空間. 計(jì)算式(3) 時(shí), 利用Byeong G. L EE 快速算法的改進(jìn)算法將32 點(diǎn)DCT 進(jìn)行分解:

重復(fù)這樣的運(yùn)算,可進(jìn)一步分解為更少點(diǎn)數(shù)的DCT ,每分解一次,乘法運(yùn)算和加法運(yùn)算可減少一半. 以32 點(diǎn)DCT 為例, 乘法和加法運(yùn)算分別為1 024次和992 次. 將其分解為兩個(gè)16 點(diǎn)的DCT后,乘法和加法次數(shù)分別減少到529 和527 次. 考慮到定點(diǎn)DSP 的有限字長(zhǎng)效應(yīng),實(shí)際只需分解一次,將32 點(diǎn)DCT 化成兩個(gè)16 點(diǎn)的DCT. 簡(jiǎn)化子帶濾波流程以及使用快速DCT 變換后,子帶合成濾波部分的運(yùn)算量減少了約60 %.

用C語言進(jìn)行算法驗(yàn)