基于当今数字信号处理器的新一代车载娱乐系统

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1. 引言
车载娱乐系统中的技术发展趋势正在变得日益复杂。通过铜缆发送音频数据的简单音频系统已经成为过去。为了满足多通道音频处理和分布式视频的要求，复杂的网络处理变得越来越流行。特别是与数字传输内容保护(DTCP)加密和解密方法相关的媒体定向系统传输（MOST）光网络正在被许多高挡和中挡汽车采用。这种趋势以及车载音频系统通常必须以变化的采样频率适应多种输入源（调幅和调频、CD、DVD驱动、蜂窝电话、导航系统输入）这个事实给DSP供应商增加了压力，要求他们提供改进性能和提高集成度的处理器。
  
2. 通用基于MOST总线的车载高端娱乐系统
MOST总线专门用于满足要求严格的车载环境的要求。这种新的基于光纤的网络能够支持24.8 Mbps的数据，与以前的铜缆相比具有减轻重量和减小电磁干扰（EMI）的附加优势。
DSP Amplifier＝DSP放大器
Driver Information Display＝驱动器信息显示器
Head Unit＝磁头驱动机构
MOST? BUS ＝MOST?总线
Rear Video Display＝背投显示器
Rear View Acquisition＝背投浏览采集
Camer＝照相机
Navigation System＝导航系统

  
图1：基于MOST总线的典型车载高端娱乐系统
MOST总线基于环形拓扑，从而允许共享多个发送和接收器的数据。MOST总线主控器（通常位于磁头驱动机构）有助于数据采集，所以该网络可支持多个主机，在一个网络上最多高达64台主机。为了确保数据安全，总线主控器在上电时将查询总线上的每一台从属设备并且完成自动密钥交换（AKE）。如果从属设备有一个有效的总线密钥，那么允许它使用预定的协议发送和接收MOST总线上的数据。
MOST传输协议由分成帧的数据块组成。每一帧包含流数据、分组数据和控制数据。流数据与MOST时钟同步并且不断地在网络中环绕。分组数据与MOST时钟异步，根据需要产生，其中一个例子就是来自无线个人数字助理（PDA）设备的e-mail。帧中分配给流数据和分组数据之间的带宽是可变的以满足规定时间对系统的需求，并且其控制字包含数据类型、在哪里找到帧中的数据以及数据大小等流信息。可每隔多帧分配控制信息，并且应该在接收设备中重新产生。
3. 在基于MOST总线车载娱乐系统中的音频处理
DVD Player＝DVD播放器
HeadUnit＝磁头驱动机构
Amplifier＝放大器
Navigation System Announcement＝导航系统通知

  
图2：基于MOST总线的车载音频娱乐系统原理图
图2示出一个简单的基于MOST总线的车载音频娱乐系统。来自DVD播放器音频源内容，例如PCM，AC3 & DTS通过SPDIF链路传送到磁头驱动机构。SPDIF链路将以音频源的采样频率（FS_in1）工作，例如对于CD音频为44.1 KHz，对于AC3和DTS等DVD视频内容为48 KHz。当要将编码的音频数据传输到网络上时，在传输之前必须对传输内容进行加密以阻止盗版复制。通常对于车载系统可选的加密机制是DTCP，该机制将在下面介绍。
ADI公司的BlackFin处理器体系结构非常适合于这种功能，因为它具有丰富的外围设备和优化的指令集，从而能使它完成类似微控制器（MCU）的工作以及传统数字信号处理器(DSP)的工作。同时，导航系统通知也必须通过MOST总线传输到放大器以允许驱动器在驱动时能够接收到指令。这些基于PCM的信号通常根据12.24 KHz立体声，我们称之为FS_in2。
MOST收发器可收发多种音频源并且重新将数据安排成数据块以便在总线上传输（如图2所示）。
一些音频数据包中可能采用DTCP加密（如FS_in1），它们通过总线传输到放大器部分，通常停留在汽车尾部（见图3）。当音频源数据通过MOST总线发送后，DSP必须重构原始分组数据，并且在DTCP加密数据的情况下，将数据流解密为原始形式。通过MOST总线传输的副作用就是丢失了源音频的原始采样速率。即使采用时钟重构技术，原始的源采样率也无法精确地重构，这将导致DSP缓存器中可听到的砰砰声以及声音丢失。
Multi channe codec＝多通道编解码器
DTCP Decryption＝DTCP解密
DTCP Encryption＝DTCP加密
SPORT Interface＝SPORT I接口
Bitstream Detector＝比特流监测器
Audio Decoder＝音频解码器
Audio Post- Processing＝音频后处理
Pac MOS dat=打包MOST 数据
Unpac MOS dat=解包MOST 数据
SRC=采样速率转换器

  

图3： 放大器系统处理流程
为了进一步增加系统的复杂性，使用DTCP的加密技术已经成为网络应用中的必备条件，从而可为通过网络的数字数据提供安全。DTCP有四层复制保护：
CCI：复制控制信息
AKE : 设备鉴别和密钥交换
内容加密
系统更新
复制控制信息（CCI）是以通过网络传输的内容为基础，并且它由内容拥有者决定，例如"免费复制"、"禁止复制"、"不再复制"和"复制一次"。在交换任何内容之前，网络上的设备必须确定是否它们是原始内容。有两级鉴别，完全鉴别和受限访问鉴别。在密钥交换之后，可通过网络传输内容。采用预定义基本密码引擎加密和解密内容，并且放入MOST传输协议的保护内容包中。该保护包里具有头部签名以识别已经加密的内容。
4. 新一代系统问题的解决方案
为了解决基于网络的车载娱乐系统日益增加的系统基本问题，ADI公司已经开发出了Sharc ADSP-21365处理器。
Misc. Control Pins＝Misc.控制引脚
4 Timers＝4个定时器
333 MHz SIMD SHARC CORE＝333 MHz
SIMD
SHARC内核
Block ＝数据块
I/O Processor with 25 DMA Channels＝带25个DMA
通道的
I/O处理器
Interrupts＝中断
Sport ＝端口
8 Channels Sample Rate＝8个通道的采样率
Input Data Port (8)/＝输入数据端口(8)/
Signal Routing Unit＝信号路由单元

  
图4：ADI公司用于车载娱乐的ADSP-21365 SHARC处理器
ADSP-21365是一款32/40 bit的SIMD（单指令多数据）信号处理器。它具有内置4 Mbit的ROM，完全支持所有多通道解码器标准，例如Dolby Digital解码器、DTS解码器以及包括DPL2x、Neo6等预处理模块。客户专用预处理模块可以在3 Mbit的内部RAM内完成，客户利用Visual Audio（见第5部分）音频专用开发工具能够增加他们的预处理产品种类同时缩短设计时间。
为了解决以不同基本采样率运行多个音频源问题，ADI公司已经将AD1896独立的采样率转换器集成在到ADSP-21365中。它具有8个通道的采样转换和高达140 dB的性能，多个音频源可以与零存储器和每秒百万条指令（MIPS）开销合并，并且所有的输出后处理都能以单采样速率运行以进一步减少数据流的复杂程度。
其它音频专用外围设备包括6个串行端口并且具有TDM和I2S的本地支持，以及集成的SPDIF Tx/Rx端口以便直接与数字音频源连接。
ADSP-21365 Sharc DSP也包括一个基于DTCP M6密码引擎（与DTLA兼容）的硬件。外围设备具有两个专用的DMA总线以允许高速速据传输到M6或者从M6传输以避免来自内核的干扰，并且具有对加密和解密的本地支持。ADSP-21365可支持完全DTCP兼容系统的简单设计链路。密码引擎包括支持密钥动态更新的功能。使用内置定时器，用户可以设置密钥更新并且切换到增加整个网络安全性的时间周期。 音频处理包括FIR和IIR滤波器的密集使用。在递归运算中，由于信号的数字表示产生的量化误差可能会引起音频质量的下降。高端音频处理器，例如ADI公司的SHARC处理器，使用浮点表示音频信号以减少这种误差。
在高挡音频系统中，通常声音的质量通过如何准确地再生出小幅度或非常安静的声音来度量。随着音频信号幅度变得越来越小，定点处理器精确再生这种信号的能力受到限制，但是对于浮点处理器而言，维持音频等级的精度包含在固定的界限内，并且具有186 dB的最小SNR。SHARC处理器具有40 bit浮点精度的本地支持和80 bit的累加器，从而可提供市场上所有信号处理器中最佳的音频性能。

Amplitude＝幅度
40 bit floating point＝40 bit浮点
32 bit fixed point＝32 bit定点
24 bit fixed point＝24 bit定点
16 bit fixed point＝16 bit定点

图5：定点和浮点处理器的SNR值
家庭影院音频处理器的另一个重要特性就是动态范围。动态范围定义为在音频处理器能够没有下溢或溢出条件下能够再生出音频信号幅度的最小值和最大值的配给量。此外，浮点处理器远远超越了定点处理器的限制。
  
Dynamic Range（dB）＝动态范围（dB）
Floating Point＝浮点
Fixed Point＝定点
Fixed ＝定点
Dynamic Range for floating point is determined by the size of the exponent
＝浮点的动态范围由指数的大小决定
6 dB×255 exponent levels＝1530 dB
＝6 dB×255指数级＝1530 dB
Dynamic Range for fixed point is determined by the data word size
＝定点的动态范围由数据字的大小决定

  
图6：浮点和定点处理器的动态范围比较
随着预解码器算法和后解码器算法的复杂度日益增加，完成家庭影院体验所需的许多组合要求的MIPS数目或执行周期也始终在增加。
为了解决这些问题，最明显的方法就是增加信号处理器的时钟频率。由于硅工艺的限制，这种方法实现起来有很多障碍，它已经使信号处理器供应商通过改进体系结构来解决这个问题。一些信号处理器供应商已经采用MIMD体系结构方案，即在一个时钟周期内执行多条指令同时完成多个数据移动。该体系结构需要更多的存储器，因此直接影响到芯片的成本。SHARC处理器体系结构采用SIMD体系结构的创新方法，即可采用相同的指令隐含地完成第二个平行的算术单元，因此使得代码尺寸如此密集从而可以降低完成这些算法所需的MIPS要求。鉴于这种SIMD体系结构，音频信号处理器无需额外的处理开销可并行地处理立体声信号。SHARC内核基于完全互锁的5阶代码流水线，这意味着程序员无需担心数据什么时候有效即可随时写入代码。算法流水线优化为1个时钟周期，这意味着计算结果在下一个周期立即提供以便进一步计算。
由于ADSP-21365 Sharc处理器提供车载音频专用外围设备和基于32 bit浮点内核的SIMD，所以它能使音频系统达到了新的水平。
5. 使用Visual Audio开发工具定制音频后处理设计

DSP用户面临的历史性挑战就是最佳利用处理器时钟周期和有效利用存储器的软件开发。采用汇编语言手动编码音频信号处理算法这种长期使用的费力的方法已经越来越不可行。特别是要求大部分的精力放在创建标准的"检查清单"或"我也是"功能而不是集中精力通过增加产品价值不同于其它产品。因此需要一种开发音频软件的改进方法。为了满足这种需求，ADI公司开发出一种VisualAudio?图形环境以帮助设计和开发使用SHARC处理器系列的音频系统。VisualAudio为音频系统开发工程师提供了大部分的软件模块，以及直观的图形用户接口，如图6所示，以便设计、开发、调试和测试音频系统。

  
图7：VisualAudio图形接口显示屏示例
VisualAudio包含一个基于PC的图形用户接口（GUI，图形工具）、一个DSP内核（基本结构）以及一个可扩展的音频算法库（音频模块）。与ADI公司的VisualDSP++?集成开发和调试环境（IDDE）配合使用，VisualAudio可提供对每秒百万条指令（MIPS）和存储器利用都经过优化的现有产品代码。通过简化开发复杂数字信号处理软件的过程，VisualAudio降低了开发成本、风险和时间。因此，音频系统开发工程师能够集中精力增加他们的音频产品价值以不同于其它产品。
Visual Audio工具允许设计工程师使用直观的图形工具集中精力开发定制后处理模块，该图形工具和强大的SHARC体系结构以及内置ROM解码器功能结合在一起，从而允许快速、简化系统开发和产品配置。
您可以从主要参考网址中所列的ADI公司网站主页上下载Visual Audio工具30天试用版软件。
结论
新一代音频系统的要求不断地需要提高速度和提高集成度的音频处理器。为了维持市场竞争地位，音频处理器供应商必须提供高性能器件以使他们的客户保持领先的"音频特性曲线"，同时提供一套简单易用的开发工具以节省客户产品投放市场的时间。ADI公司通过推出第三代32和40 bit的浮点SHARC音频处理器已经完全解决了这个难题，它们可提供业界领先的高性能以及集成的存储器和外围设备。此外，Visual Audio开发工具通过为许多公用音频处理模块提供现有产品代码以简化音频算法开发。