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音频编解码算法及软硬件协同设计研究

汪斌  
【摘要】: AAC(Advanced Audio Coding)是一种高质量的音频编码标准,它是MPEG-2音频的非向后兼容部分,也是MPEG-4音频的核心。本文首先对心理声学模型、滤波器组、量化和比特分配、预测编码、时域噪声成型等技术进行研究。在此基础上,本文对AAC标准建议的编码算法作出某些改进。其中的一些主要改进有:提出一种基于线性预测的比特分配算法,即利用帧与帧之间存在的相关性,根据前几帧的比特分配信息初值预测出当前帧的比特分配信息初值,通过合理设定比特分配信息初值,使得比特分配的迭代次数减少,从而节省了音频编码的运算量。此外,基于对心理声学模型的分析,对心理声学模型作若干近似,简化的目的是为了用较少的比特编码音频数据。 其次,本文在分析软硬件协同设计流程和AC3解码算法以及RISC核Virgo上实现AC3音频解码的基础上,扩展指令集增加特殊指令减少了AC3解码的时间和解码程序占用的空间。通过对AC3解码汇编程序及其在Virgo核上运行的结果进行分析提取出占用CPU运行时间较多的子函数,再对这些子函数建立模型提取出关键操作并将其综合成特殊指令,文中给出了这些指令的具体硬件实施框架和原理。最后,通过软件上统计存储空间和运行时间,硬件上对比添加指令硬件单元前后的综合门数的软硬件协同评估方法分析了添加指令后的系统性能。结果表明,添加指令硬件单元减少了指令汇编程序占用空间和程序运行时间,并从总体上减少了系统的硬件开销。 最后,本文依据多媒体SoC(System-on-chip)实时操作的要求,应用程序和数据尽量存放在片上存贮器或高速缓存中,以加快处理速度。片内存贮器件过多导致存贮器件的面积和功耗大大增加。该论文以AC3音频解码程序为例,提出了SoC中存贮优化的一般方法。论文设计的MPEG-2系统集成解码芯片是一个SoC,该SoC采用32位嵌入式RISC CPU核Virgo进行音频AC3和TS流解码的计算任务,并承担SoC的管理;视频解码采用ASIC实现。为减少系统的存贮耗费,针对AC3程序进行了存贮优化,并提出了一种应用软硬件协同设计的方法,即从系统级、汇编级和硬件级进行存贮优化。


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