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家庭高清音頻發(fā)展推動音頻處理器需求
家庭高清音頻發(fā)展推動音頻處理器需求
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【中國投影網(wǎng)資訊】數(shù)字高清音頻(HD音頻)解決方案市場發(fā)展迅速，競爭激烈，具體應(yīng)用包括數(shù)字電視(DTV)、機頂盒(STB)、藍光播放器和家庭娛樂系統(tǒng)等等。HD音頻設(shè)備正在快速變得越來越受歡迎，并且市場對更低成本和更高性能的設(shè)備有著強勁的需求。而針對具有互聯(lián)網(wǎng)功能的DTV和STB設(shè)備，以及流媒體TV服務(wù)，比如GoogleTV，必須支持大范圍的音頻編解碼器；同時，現(xiàn)有音頻編解碼器也在不斷演進，新的編解碼器不斷涌現(xiàn)。除了MP3、AAC、WMA、RealAudio等主流編解碼器之外，一些設(shè)備還需要支持計算密集型的有損和無損HD音頻編解碼器，比如杜比(Dolby)和DTS。某些HD音頻標準可支持高達24.5Mbps的比特率，而前代編解碼器只有不到1Mbps。這些市場要求意味著需要尺寸更小、功耗更低、同時又不影響音頻性能和質(zhì)量的高效音頻平臺。
家庭音頻市場帶來的新需求
就標準音頻規(guī)范和HD音頻規(guī)范而言，在處理的復(fù)雜性、音頻通道數(shù)目、比特率和精度要求等方面，兩者存在著顯著的差異。HD音頻系統(tǒng)提出的新要求影響到集成電路(IC)設(shè)計的各個方面，也帶來了一些巨大挑戰(zhàn)，即如何讓這類全新的家庭娛樂設(shè)備提供消費者所期望的音頻質(zhì)量。例如，具有互聯(lián)網(wǎng)功能的DTV和STB設(shè)備以及流媒體TV服務(wù)，需要支持多個音頻編解碼器，故需兼容更大范圍的HD標準，并采用計算高度密集型的有損和無損HD音頻編解碼器。
而且，除了HD音頻編解碼器之外，DTV制造商還通過采用專門的音頻后處理算法來實現(xiàn)自己產(chǎn)品的差異性。音頻后處理主要是彌補數(shù)字電視揚聲器體積小巧纖薄、功率較低，且放置位置欠佳等局限，滿足用戶對更高音頻體驗的期望。這意味著DTV音頻處理器必須功能足夠強大，不但可以處理HD音頻編解碼器，更可以完成多個后處理工作，比如虛擬環(huán)繞聲(從立體聲到5.1環(huán)繞效果)、自動音量調(diào)節(jié)、虛擬低音和動態(tài)范圍壓縮。
有些應(yīng)用需要面對更復(fù)雜的情況，比如新式的STB需要同時解碼3個或更多個音頻流，具體來說，用戶常常會在DTV上觀看一個流媒體碼流的時侯，在DVR中記錄第二個碼流(可能涉及到編碼，以節(jié)省磁盤空間)，同時把第三個流媒體碼流轉(zhuǎn)碼(將一種格式解碼，并以另一種格式編碼)到移動設(shè)備中，以便可以外出攜帶(這可能涉及到采用適合移動設(shè)備的不同格式進行解碼＋編碼)。這種同時音頻解碼和編碼的工作使得音頻處理器的負荷過重，所以要求它具有非常高的性能。另外一種情況有所不同，但同樣具有很大挑戰(zhàn)性，即支持多設(shè)備同時轉(zhuǎn)碼。
隨著新型家庭媒體網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)，需要把音頻分配給家中多個設(shè)備，比如DTV、PC、互聯(lián)網(wǎng)平板電腦、智能手機等等。這些家庭媒體網(wǎng)關(guān)顯然必需支持多個音頻流媒體到不同設(shè)備的轉(zhuǎn)碼，并利用DLNA等方案對它們進行分配。
家庭音頻處理IC面臨的新挑戰(zhàn)
從這些家庭音頻使用案例中，可以看出，在設(shè)計一個用于家庭娛樂的多媒體IC時，該IC的音頻處理器或子系統(tǒng)要面對的挑戰(zhàn)不會比視頻或圖形領(lǐng)域的更簡單，這些挑戰(zhàn)包括：
第一，必須具備處理有損和無損HD音頻編解碼器的能力，滿足DolbyDigitalPlus和DTS-HDHighResolution等有損編解碼器標準的質(zhì)量標準要求，以及DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio無損編解碼器標準的比特精準要求。此外，這些音頻標準的質(zhì)量要求使其必需使用很寬的動態(tài)范圍，一般遠大于音頻流原本固有的24位音頻采樣數(shù)據(jù)寬度。這些編解碼器屬于計算密集型，給計算能力和寬動態(tài)范圍帶來了挑戰(zhàn)。
第二，極高比特率編解碼器(如DTS-HDMasterAudio等HD音頻標準)的比特率高達24.5Mbps，致使數(shù)據(jù)量龐大，從而需要大容量且成本高昂的片上數(shù)據(jù)RAM。
第三，多任務(wù)用戶案例，比如在DTV或STB中，必需處理多個流媒體(每一個都包含多個音頻通道)，并實現(xiàn)音頻后處理效果，這就需要任務(wù)間的切換，帶來代碼和數(shù)據(jù)交換的負荷。交換間隔對音頻子系統(tǒng)設(shè)計有顯著的影響，例如，每幀交換與每10幀交換，會影響到所需的處理器速度(MHz)、所需的L1代碼和數(shù)據(jù)存儲器大小，以及外部存儲器帶寬。
第四，系統(tǒng)限制。由于IC的音頻和視頻子系統(tǒng)訪問外部DDR的時間及帶寬大有不同(一般而言，視頻的優(yōu)先級更高)，音頻子系統(tǒng)必須足夠穩(wěn)健，以處理很大的DDR延時，通常在100-500個處理器周期范圍。
第五，優(yōu)秀的軟件開發(fā)能力。一個新的音頻處理器，需要通過Dolby與DTSHD音頻編解碼器的實現(xiàn)和驗證，這個挑戰(zhàn)非常耗費資源，且需要很多人年工作量。
最后是慣常的成本壓力，以及IC價格的不斷下跌，因此必需盡量減少片上處理器內(nèi)核的數(shù)目，使用小容量的L1存儲器和速度更慢(因此更便宜)的外部DDR存儲器。成本問題也在推動這些非便攜式設(shè)備降低功耗，不僅僅是因為環(huán)保原因，同時也為了減小散熱，以便能夠使用更廉價的IC封裝。
從特性來看，音頻信號處理需要DSP，目前的最新發(fā)展趨勢是需要功能更為強大的DSP。這里舉幾款多媒體IC來說明上述趨勢是顯而易見的。比如，ST的FLI7510DTVIC使用了兩顆音頻DSP，每顆時鐘頻率均為450MHz；而SigmaDesign最新推出的SMP8910IC使用了三顆音頻DSP，每顆時鐘頻率為400MHz。這兩款I(lǐng)C使用的DSP都是廠商各自內(nèi)部開發(fā)的，并且由于需要執(zhí)行大量的音頻處理任務(wù)，它們都采用了多核DSP設(shè)計。
CEVA提供了一種替代性單核解決方案，即CEVA-TeakLite-III系列，其包含了CEVA-TL3210內(nèi)核和全新的CEVA-TL3211DSP內(nèi)核。
CEVA-TeakLite-III系列擁有32位的本地數(shù)據(jù)寬度和一個72位的算術(shù)累加器，可處理要求最嚴苛的HD音頻用戶案例。
CEVA-TL3211是下一代音頻DSP內(nèi)核，采用40nm工藝時，運行速率可達1GHz，硅片占位面積僅0.2mm2。這種單核可授權(quán)音頻處理器解決方案能夠完全滿足現(xiàn)在及未來的極高的HD音頻處理能力、具備設(shè)計與使用的靈活性、超低功耗且易于編程。CEVA-TL3211DSP內(nèi)核包含了一個高性能、低功耗、完全可綜合的CEVA-TeakLite-IIIDSP引擎；一個支持高速AXI系統(tǒng)總線的可配置L1程序/數(shù)據(jù)緩存及TCM；一個集成式功率調(diào)節(jié)單元(PSU)；以及一整套已獲驗證的最優(yōu)化Dolby與DTSHD編解碼器，把所有這些功能結(jié)合在一起，就能夠解決HD音頻IC設(shè)計在各方面的難題。
CEVA-TeakLite-IIIDSP內(nèi)核系列能夠幫助IC公司為其多媒體IC設(shè)計出同類最佳的音頻子系統(tǒng)，采用一個功能強大的單內(nèi)核、小容量本地存儲器以及大延時DDR，即可實現(xiàn)高效的編解碼。CEVA-TeakLite-III是已經(jīng)業(yè)界驗證的、先進的音頻DSP。
家庭音頻市場帶來的新需求
就標準音頻規(guī)范和HD音頻規(guī)范而言，在處理的復(fù)雜性、音頻通道數(shù)目、比特率和精度要求等方面，兩者存在著顯著的差異。HD音頻系統(tǒng)提出的新要求影響到集成電路(IC)設(shè)計的各個方面，也帶來了一些巨大挑戰(zhàn)，即如何讓這類全新的家庭娛樂設(shè)備提供消費者所期望的音頻質(zhì)量。例如，具有互聯(lián)網(wǎng)功能的DTV和STB設(shè)備以及流媒體TV服務(wù)，需要支持多個音頻編解碼器，故需兼容更大范圍的HD標準，并采用計算高度密集型的有損和無損HD音頻編解碼器。
而且，除了HD音頻編解碼器之外，DTV制造商還通過采用專門的音頻后處理算法來實現(xiàn)自己產(chǎn)品的差異性。音頻后處理主要是彌補數(shù)字電視揚聲器體積小巧纖薄、功率較低，且放置位置欠佳等局限，滿足用戶對更高音頻體驗的期望。這意味著DTV音頻處理器必須功能足夠強大，不但可以處理HD音頻編解碼器，更可以完成多個后處理工作，比如虛擬環(huán)繞聲(從立體聲到5.1環(huán)繞效果)、自動音量調(diào)節(jié)、虛擬低音和動態(tài)范圍壓縮。
有些應(yīng)用需要面對更復(fù)雜的情況，比如新式的STB需要同時解碼3個或更多個音頻流，具體來說，用戶常常會在DTV上觀看一個流媒體碼流的時侯，在DVR中記錄第二個碼流(可能涉及到編碼，以節(jié)省磁盤空間)，同時把第三個流媒體碼流轉(zhuǎn)碼(將一種格式解碼，并以另一種格式編碼)到移動設(shè)備中，以便可以外出攜帶(這可能涉及到采用適合移動設(shè)備的不同格式進行解碼＋編碼)。這種同時音頻解碼和編碼的工作使得音頻處理器的負荷過重，所以要求它具有非常高的性能。另外一種情況有所不同，但同樣具有很大挑戰(zhàn)性，即支持多設(shè)備同時轉(zhuǎn)碼。
隨著新型家庭媒體網(wǎng)關(guān)的出現(xiàn)，需要把音頻分配給家中多個設(shè)備，比如DTV、PC、互聯(lián)網(wǎng)平板電腦、智能手機等等。這些家庭媒體網(wǎng)關(guān)顯然必需支持多個音頻流媒體到不同設(shè)備的轉(zhuǎn)碼，并利用DLNA等方案對它們進行分配。
家庭音頻處理IC面臨的新挑戰(zhàn)
從這些家庭音頻使用案例中，可以看出，在設(shè)計一個用于家庭娛樂的多媒體IC時，該IC的音頻處理器或子系統(tǒng)要面對的挑戰(zhàn)不會比視頻或圖形領(lǐng)域的更簡單，這些挑戰(zhàn)包括：
第一，必須具備處理有損和無損HD音頻編解碼器的能力，滿足DolbyDigitalPlus和DTS-HDHighResolution等有損編解碼器標準的質(zhì)量標準要求，以及DolbyTrueHD和DTS-HDMasterAudio無損編解碼器標準的比特精準要求。此外，這些音頻標準的質(zhì)量要求使其必需使用很寬的動態(tài)范圍，一般遠大于音頻流原本固有的24位音頻采樣數(shù)據(jù)寬度。這些編解碼器屬于計算密集型，給計算能力和寬動態(tài)范圍帶來了挑戰(zhàn)。
第二，極高比特率編解碼器(如DTS-HDMasterAudio等HD音頻標準)的比特率高達24.5Mbps，致使數(shù)據(jù)量龐大，從而需要大容量且成本高昂的片上數(shù)據(jù)RAM。
第三，多任務(wù)用戶案例，比如在DTV或STB中，必需處理多個流媒體(每一個都包含多個音頻通道)，并實現(xiàn)音頻后處理效果，這就需要任務(wù)間的切換，帶來代碼和數(shù)據(jù)交換的負荷。交換間隔對音頻子系統(tǒng)設(shè)計有顯著的影響，例如，每幀交換與每10幀交換，會影響到所需的處理器速度(MHz)、所需的L1代碼和數(shù)據(jù)存儲器大小，以及外部存儲器帶寬。
第四，系統(tǒng)限制。由于IC的音頻和視頻子系統(tǒng)訪問外部DDR的時間及帶寬大有不同(一般而言，視頻的優(yōu)先級更高)，音頻子系統(tǒng)必須足夠穩(wěn)健，以處理很大的DDR延時，通常在100-500個處理器周期范圍。
第五，優(yōu)秀的軟件開發(fā)能力。一個新的音頻處理器，需要通過Dolby與DTSHD音頻編解碼器的實現(xiàn)和驗證，這個挑戰(zhàn)非常耗費資源，且需要很多人年工作量。
最后是慣常的成本壓力，以及IC價格的不斷下跌，因此必需盡量減少片上處理器內(nèi)核的數(shù)目，使用小容量的L1存儲器和速度更慢(因此更便宜)的外部DDR存儲器。成本問題也在推動這些非便攜式設(shè)備降低功耗，不僅僅是因為環(huán)保原因，同時也為了減小散熱，以便能夠使用更廉價的IC封裝。
從特性來看，音頻信號處理需要DSP，目前的最新發(fā)展趨勢是需要功能更為強大的DSP。這里舉幾款多媒體IC來說明上述趨勢是顯而易見的。比如，ST的FLI7510DTVIC使用了兩顆音頻DSP，每顆時鐘頻率均為450MHz；而SigmaDesign最新推出的SMP8910IC使用了三顆音頻DSP，每顆時鐘頻率為400MHz。這兩款I(lǐng)C使用的DSP都是廠商各自內(nèi)部開發(fā)的，并且由于需要執(zhí)行大量的音頻處理任務(wù)，它們都采用了多核DSP設(shè)計。
CEVA提供了一種替代性單核解決方案，即CEVA-TeakLite-III系列，其包含了CEVA-TL3210內(nèi)核和全新的CEVA-TL3211DSP內(nèi)核。
CEVA-TeakLite-III系列擁有32位的本地數(shù)據(jù)寬度和一個72位的算術(shù)累加器，可處理要求最嚴苛的HD音頻用戶案例。
CEVA-TL3211是下一代音頻DSP內(nèi)核，采用40nm工藝時，運行速率可達1GHz，硅片占位面積僅0.2mm2。這種單核可授權(quán)音頻處理器解決方案能夠完全滿足現(xiàn)在及未來的極高的HD音頻處理能力、具備設(shè)計與使用的靈活性、超低功耗且易于編程。CEVA-TL3211DSP內(nèi)核包含了一個高性能、低功耗、完全可綜合的CEVA-TeakLite-IIIDSP引擎；一個支持高速AXI系統(tǒng)總線的可配置L1程序/數(shù)據(jù)緩存及TCM；一個集成式功率調(diào)節(jié)單元(PSU)；以及一整套已獲驗證的最優(yōu)化Dolby與DTSHD編解碼器，把所有這些功能結(jié)合在一起，就能夠解決HD音頻IC設(shè)計在各方面的難題。
CEVA-TeakLite-IIIDSP內(nèi)核系列能夠幫助IC公司為其多媒體IC設(shè)計出同類最佳的音頻子系統(tǒng)，采用一個功能強大的單內(nèi)核、小容量本地存儲器以及大延時DDR，即可實現(xiàn)高效的編解碼。CEVA-TeakLite-III是已經(jīng)業(yè)界驗證的、先進的音頻DSP。
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