1. 引言

車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)中的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)正在變得日益復(fù)雜。通過(guò)銅纜發(fā)送音頻數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單音頻系統(tǒng)已經(jīng)成為過(guò)去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理變得越來(lái)越流行。特別是與數(shù)字傳輸內(nèi)容保護(hù)（DTCP）加密和解密方法相關(guān)的媒體定向系統(tǒng)傳輸（MOST）光網(wǎng)絡(luò)正在被許多高擋和中擋汽車(chē)采用。這種趨勢(shì)以及車(chē)載音頻系統(tǒng)通常必須以變化的采樣頻率適應(yīng)多種輸入源（調(diào)幅和調(diào)頻、CD、DVD驅(qū)動(dòng)、蜂窩電話、導(dǎo)航系統(tǒng)輸入）這個(gè)事實(shí)給DSP供應(yīng)商增加了壓力，要求他們提供改進(jìn)性能和提高集成度的處理器。

2. 通用基于MOST總線的車(chē)載高端娛樂(lè)系統(tǒng)

MOST總線專(zhuān)門(mén)用于滿足要求嚴(yán)格的車(chē)載環(huán)境的要求。這種新的基于光纖的網(wǎng)絡(luò)能夠支持24.8 Mbps的數(shù)據(jù)，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾（EMI）的附加優(yōu)勢(shì)。

DSP Amplifier＝DSP放大器

Driver Information Display＝驅(qū)動(dòng)器信息顯示器

Head Unit＝磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

MOST？ BUS ＝MOST？總線

Rear Video Display＝背投顯示器

Rear View Acquisition＝背投瀏覽采集

Camer＝照相機(jī)

Navigation System＝導(dǎo)航系統(tǒng)

圖1：基于MOST總線的典型車(chē)載高端娛樂(lè)系統(tǒng)

MOST總線基于環(huán)形拓?fù)洌瑥亩试S共享多個(gè)發(fā)送和接收器的數(shù)據(jù)。MOST總線主控器（通常位于磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）有助于數(shù)據(jù)采集，所以該網(wǎng)絡(luò)可支持多個(gè)主機(jī)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上最多高達(dá)64臺(tái)主機(jī)。為了確保數(shù)據(jù)安全，總線主控器在上電時(shí)將查詢總線上的每一臺(tái)從屬設(shè)備并且完成自動(dòng)密鑰交換（AKE）。如果從屬設(shè)備有一個(gè)有效的總線密鑰，那么允許它使用預(yù)定的協(xié)議發(fā)送和接收MOST總線上的數(shù)據(jù)。

MOST傳輸協(xié)議由分成幀的數(shù)據(jù)塊組成。每一幀包含流數(shù)據(jù)、分組數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)。流數(shù)據(jù)與MOST時(shí)鐘同步并且不斷地在網(wǎng)絡(luò)中環(huán)繞。分組數(shù)據(jù)與MOST時(shí)鐘異步，根據(jù)需要產(chǎn)生，其中一個(gè)例子就是來(lái)自無(wú)線個(gè)人數(shù)字助理（PDA）設(shè)備的e-mail。幀中分配給流數(shù)據(jù)和分組數(shù)據(jù)之間的帶寬是可變的以滿足規(guī)定時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的需求，并且其控制字包含數(shù)據(jù)類(lèi)型、在哪里找到幀中的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)大小等流信息?？擅扛舳鄮峙淇刂菩畔?，并且應(yīng)該在接收設(shè)備中重新產(chǎn)生。

3. 在基于MOST總線車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)中的音頻處理

DVD Player＝DVD播放器

HeadUnit＝磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

Amplifier＝放大器

Navigation System Announcement＝導(dǎo)航系統(tǒng)通知

圖2：基于MOST總線的車(chē)載音頻娛樂(lè)系統(tǒng)原理圖

圖2示出一個(gè)簡(jiǎn)單的基于MOST總線的車(chē)載音頻娛樂(lè)系統(tǒng)。來(lái)自DVD播放器音頻源內(nèi)容，例如PCM，AC3 & DTS通過(guò)SPDIF鏈路傳送到磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。SPDIF鏈路將以音頻源的采樣頻率（FS_in1）工作，例如對(duì)于CD音頻為44.1 KHz，對(duì)于AC3和DTS等DVD視頻內(nèi)容為48 KHz。當(dāng)要將編碼的音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上時(shí)，在傳輸之前必須對(duì)傳輸內(nèi)容進(jìn)行加密以阻止盜版復(fù)制。通常對(duì)于車(chē)載系統(tǒng)可選的加密機(jī)制是DTCP，該機(jī)制將在下面介紹。

ADI公司的BlackFin處理器體系結(jié)構(gòu)非常適合于這種功能，因?yàn)樗哂胸S富的外圍設(shè)備和優(yōu)化的指令集，從而能使它完成類(lèi)似微控制器（MCU）的工作以及傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的工作。同時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)通知也必須通過(guò)MOST總線傳輸?shù)椒糯笃饕栽试S驅(qū)動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)時(shí)能夠接收到指令。這些基于PCM的信號(hào)通常根據(jù)12.24 KHz立體聲，我們稱之為FS_in2。

MOST收發(fā)器可收發(fā)多種音頻源并且重新將數(shù)據(jù)安排成數(shù)據(jù)塊以便在總線上傳輸（如圖2所示）。

一些音頻數(shù)據(jù)包中可能采用DTCP加密（如FS_in1），它們通過(guò)總線傳輸?shù)椒糯笃鞑糠?，通常停留在汽?chē)尾部（見(jiàn)圖3）。當(dāng)音頻源數(shù)據(jù)通過(guò)MOST總線發(fā)送后，DSP必須重構(gòu)原始分組數(shù)據(jù)，并且在DTCP加密數(shù)據(jù)的情況下，將數(shù)據(jù)流解密為原始形式。通過(guò)MOST總線傳輸?shù)母弊饔镁褪莵G失了源音頻的原始采樣速率。即使采用時(shí)鐘重構(gòu)技術(shù)，原始的源采樣率也無(wú)法精確地重構(gòu)，這將導(dǎo)致DSP緩存器中可聽(tīng)到的砰砰聲以及聲音丟失。

Multi channe codec＝多通道編解碼器

DTCP Decryption＝DTCP解密

DTCP Encryption＝DTCP加密

SPORT Interface＝SPORT I接口

Bitstream Detector＝比特流監(jiān)測(cè)器

Audio Decoder＝音頻解碼器

Audio Post- Processing＝音頻后處理

Pac MOS dat=打包MOST 數(shù)據(jù)

Unpac MOS dat=解包MOST 數(shù)據(jù)

SRC=采樣速率轉(zhuǎn)換器

圖3： 放大器系統(tǒng)處理流程

為了進(jìn)一步增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，使用DTCP的加密技術(shù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的必備條件，從而可為通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供安全。DTCP有四層復(fù)制保護(hù)：

CCI：復(fù)制控制信息

AKE ： 設(shè)備鑒別和密鑰交換

內(nèi)容加密

系統(tǒng)更新

復(fù)制控制信息（CCI）是以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?nèi)容為基礎(chǔ)，并且它由內(nèi)容擁有者決定，例如“免費(fèi)復(fù)制”、“禁止復(fù)制”、“不再?gòu)?fù)制”和“復(fù)制一次”。在交換任何內(nèi)容之前，網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備必須確定是否它們是原始內(nèi)容。有兩級(jí)鑒別，完全鑒別和受限訪問(wèn)鑒別。在密鑰交換之后，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸內(nèi)容。采用預(yù)定義基本密碼引擎加密和解密內(nèi)容，并且放入MOST傳輸協(xié)議的保護(hù)內(nèi)容包中。該保護(hù)包里具有頭部簽名以識(shí)別已經(jīng)加密的內(nèi)容。

4. 新一代系統(tǒng)問(wèn)題的解決方案

為了解決基于網(wǎng)絡(luò)的車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)日益增加的系統(tǒng)基本問(wèn)題，ADI公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了Sharc ADSP-21365處理器。

Misc. Control Pins＝Misc.控制引腳

4 Timers＝4個(gè)定時(shí)器

333 MHz SIMD SHARC CORE＝333 MHz

SIMD

SHARC內(nèi)核

Block ＝數(shù)據(jù)塊

I/O Processor with 25 DMA Channels＝帶25個(gè)DMA

通道的

I/O處理器

Interrupts＝中斷

Sport ＝端口

8 Channels Sample Rate＝8個(gè)通道的采樣率

Input Data Port （8）/＝輸入數(shù)據(jù)端口（8）/

Signal Routing Unit＝信號(hào)路由單元

圖4：ADI公司用于車(chē)載娛樂(lè)的ADSP-21365 SHARC處理器

ADSP-21365是一款32/40 bit的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）信號(hào)處理器。它具有內(nèi)置4 Mbit的ROM，完全支持所有多通道解碼器標(biāo)準(zhǔn)，例如Dolby Digital解碼器、DTS解碼器以及包括DPL2x、Neo6等預(yù)處理模塊。客戶專(zhuān)用預(yù)處理模塊可以在3 Mbit的內(nèi)部RAM內(nèi)完成，客戶利用Visual Audio（見(jiàn)第5部分）音頻專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具能夠增加他們的預(yù)處理產(chǎn)品種類(lèi)同時(shí)縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

為了解決以不同基本采樣率運(yùn)行多個(gè)音頻源問(wèn)題，ADI公司已經(jīng)將AD1896獨(dú)立的采樣率轉(zhuǎn)換器集成在到ADSP-21365中。它具有8個(gè)通道的采樣轉(zhuǎn)換和高達(dá)140 dB的性能，多個(gè)音頻源可以與零存儲(chǔ)器和每秒百萬(wàn)條指令（MIPS）開(kāi)銷(xiāo)合并，并且所有的輸出后處理都能以單采樣速率運(yùn)行以進(jìn)一步減少數(shù)據(jù)流的復(fù)雜程度。

其它音頻專(zhuān)用外圍設(shè)備包括6個(gè)串行端口并且具有TDM和I2S的本地支持，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接與數(shù)字音頻源連接。

ADSP-21365 Sharc DSP也包括一個(gè)基于DTCP M6密碼引擎（與DTLA兼容）的硬件。外圍設(shè)備具有兩個(gè)專(zhuān)用的DMA總線以允許高速速據(jù)傳輸?shù)組6或者從M6傳輸以避免來(lái)自內(nèi)核的干擾，并且具有對(duì)加密和解密的本地支持。ADSP-21365可支持完全DTCP兼容系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)鏈路。密碼引擎包括支持密鑰動(dòng)態(tài)更新的功能。使用內(nèi)置定時(shí)器，用戶可以設(shè)置密鑰更新并且切換到增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全性的時(shí)間周期。 音頻處理包括FIR和IIR濾波器的密集使用。在遞歸運(yùn)算中，由于信號(hào)的數(shù)字表示產(chǎn)生的量化誤差可能會(huì)引起音頻質(zhì)量的下降。高端音頻處理器，例如ADI公司的SHARC處理器，使用浮點(diǎn)表示音頻信號(hào)以減少這種誤差。

在高擋音頻系統(tǒng)中，通常聲音的質(zhì)量通過(guò)如何準(zhǔn)確地再生出小幅度或非常安靜的聲音來(lái)度量。隨著音頻信號(hào)幅度變得越來(lái)越小，定點(diǎn)處理器精確再生這種信號(hào)的能力受到限制，但是對(duì)于浮點(diǎn)處理器而言，維持音頻等級(jí)的精度包含在固定的界限內(nèi)，并且具有186 dB的最小SNR。SHARC處理器具有40 bit浮點(diǎn)精度的本地支持和80 bit的累加器，從而可提供市場(chǎng)上所有信號(hào)處理器中最佳的音頻性能。

Amplitude＝幅度

40 bit floating point＝40 bit浮點(diǎn)

32 bit fixed point＝32 bit定點(diǎn)

24 bit fixed point＝24 bit定點(diǎn)

16 bit fixed point＝16 bit定點(diǎn)

圖5：定點(diǎn)和浮點(diǎn)處理器的SNR值

家庭影院音頻處理器的另一個(gè)重要特性就是動(dòng)態(tài)范圍。動(dòng)態(tài)范圍定義為在音頻處理器能夠沒(méi)有下溢或溢出條件下能夠再生出音頻信號(hào)幅度的最小值和最大值的配給量。此外，浮點(diǎn)處理器遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了定點(diǎn)處理器的限制。

Dynamic Range（dB）＝動(dòng)態(tài)范圍（dB）

Floating Point＝浮點(diǎn)

Fixed Point＝定點(diǎn)

Fixed ＝定點(diǎn)

Dynamic Range for floating point is determined by the size of the exponent

＝浮點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍由指數(shù)的大小決定

6 dB×255 exponent levels＝1530 dB

＝6 dB×255指數(shù)級(jí)＝1530 dB

Dynamic Range for fixed point is determined by the data word size

＝定點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍由數(shù)據(jù)字的大小決定

圖6：浮點(diǎn)和定點(diǎn)處理器的動(dòng)態(tài)范圍比較

隨著預(yù)解碼器算法和后解碼器算法的復(fù)雜度日益增加，完成家庭影院體驗(yàn)所需的許多組合要求的MIPS數(shù)目或執(zhí)行周期也始終在增加。

為了解決這些問(wèn)題，最明顯的方法就是增加信號(hào)處理器的時(shí)鐘頻率。由于硅工藝的限制，這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)有很多障礙，它已經(jīng)使信號(hào)處理器供應(yīng)商通過(guò)改進(jìn)體系結(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。一些信號(hào)處理器供應(yīng)商已經(jīng)采用MIMD體系結(jié)構(gòu)方案，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多條指令同時(shí)完成多個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)。該體系結(jié)構(gòu)需要更多的存儲(chǔ)器，因此直接影響到芯片的成本。SHARC處理器體系結(jié)構(gòu)采用SIMD體系結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新方法，即可采用相同的指令隱含地完成第二個(gè)平行的算術(shù)單元，因此使得代碼尺寸如此密集從而可以降低完成這些算法所需的MIPS要求。鑒于這種SIMD體系結(jié)構(gòu)，音頻信號(hào)處理器無(wú)需額外的處理開(kāi)銷(xiāo)可并行地處理立體聲信號(hào)。SHARC內(nèi)核基于完全互鎖的5階代碼流水線，這意味著程序員無(wú)需擔(dān)心數(shù)據(jù)什么時(shí)候有效即可隨時(shí)寫(xiě)入代碼。算法流水線優(yōu)化為1個(gè)時(shí)鐘周期，這意味著計(jì)算結(jié)果在下一個(gè)周期立即提供以便進(jìn)一步計(jì)算。

由于ADSP-21365 Sharc處理器提供車(chē)載音頻專(zhuān)用外圍設(shè)備和基于32 bit浮點(diǎn)內(nèi)核的SIMD，所以它能使音頻系統(tǒng)達(dá)到了新的水平。

5. 使用Visual Audio開(kāi)發(fā)工具定制音頻后處理設(shè)計(jì)

DSP用戶面臨的歷史性挑戰(zhàn)就是最佳利用處理器時(shí)鐘周期和有效利用存儲(chǔ)器的軟件開(kāi)發(fā)。采用匯編語(yǔ)言手動(dòng)編碼音頻信號(hào)處理算法這種長(zhǎng)期使用的費(fèi)力的方法已經(jīng)越來(lái)越不可行。特別是要求大部分的精力放在創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)的檢查清單或我也是功能而不是集中精力通過(guò)增加產(chǎn)品價(jià)值不同于其它產(chǎn)品。因此需要一種開(kāi)發(fā)音頻軟件的改進(jìn)方法。為了滿足這種需求，ADI公司開(kāi)發(fā)出一種VisualAudio？圖形環(huán)境以幫助設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)使用SHARC處理器系列的音頻系統(tǒng)。VisualAudio為音頻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師提供了大部分的軟件模塊，以及直觀的圖形用戶接口，如圖6所示，以便設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試和測(cè)試音頻系統(tǒng)。

圖7：VisualAudio圖形接口顯示屏示例

VisualAudio包含一個(gè)基于PC的圖形用戶接口（GUI，圖形工具）、一個(gè)DSP內(nèi)核（基本結(jié)構(gòu)）以及一個(gè)可擴(kuò)展的音頻算法庫(kù)（音頻模塊）。與ADI公司的VisualDSP++？集成開(kāi)發(fā)和調(diào)試環(huán)境（IDDE）配合使用，VisualAudio可提供對(duì)每秒百萬(wàn)條指令（MIPS）和存儲(chǔ)器利用都經(jīng)過(guò)優(yōu)化的現(xiàn)有產(chǎn)品代碼。通過(guò)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理軟件的過(guò)程，VisualAudio降低了開(kāi)發(fā)成本、風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間。因此，音頻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師能夠集中精力增加他們的音頻產(chǎn)品價(jià)值以不同于其它產(chǎn)品。

Visual Audio工具允許設(shè)計(jì)工程師使用直觀的圖形工具集中精力開(kāi)發(fā)定制后處理模塊，該圖形工具和強(qiáng)大的SHARC體系結(jié)構(gòu)以及內(nèi)置ROM解碼器功能結(jié)合在一起，從而允許快速、簡(jiǎn)化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品配置。

您可以從主要參考網(wǎng)址中所列的ADI公司網(wǎng)站主頁(yè)上下載Visual Audio工具30天試用版軟件。

結(jié)論

新一代音頻系統(tǒng)的要求不斷地需要提高速度和提高集成度的音頻處理器。為了維持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)地位，音頻處理器供應(yīng)商必須提供高性能器件以使他們的客戶保持領(lǐng)先的音頻特性曲線，同時(shí)提供一套簡(jiǎn)單易用的開(kāi)發(fā)工具以節(jié)省客戶產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間。ADI公司通過(guò)推出第三代32和40 bit的浮點(diǎn)SHARC音頻處理器已經(jīng)完全解決了這個(gè)難題，它們可提供業(yè)界領(lǐng)先的高性能以及集成的存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備。此外，Visual Audio開(kāi)發(fā)工具通過(guò)為許多公用音頻處理模塊提供現(xiàn)有產(chǎn)品代碼以簡(jiǎn)化音頻算法開(kāi)發(fā)。