下一代車載娛樂系統基于DSP

www.sail-shipping.com 來源：互聯網作者：xjm82395219邢類別：品牌汽車維修時間：2008-08-17

車載娛樂系統的技術發展趨勢正在變得日益復雜，通過銅纜發送音頻數據的簡單音頻系統已經成為過去。為了滿足多通道音頻處理和分布式視頻的要求，復雜的網絡處理變得越來越流行。特別是與數字傳輸內容保護(DTCP)加密和解密方法相關的面向媒體的系統傳輸(MOST)光網絡正在被許多高擋和中檔汽車采用，這種趨勢以及車載音頻系統通常必須以變化的采樣頻率適應多種輸入源(調幅和調頻、CD、DVD、蜂窩電話和導航系統輸入)這個事實給數字信號處理器(DSP)供應商增加了壓力，要求他們提供增強性能和更高集成度的處理器。
k5ZQOf j9n#B:o    基于MOST的車載高端娛樂系統

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i/LY’j;O2Oc    MOST總線專門用于滿足要求嚴格的車載環境。這種新的基于光纖的網絡能夠支持24.8Mbps的數據速率，與以前的銅纜相比具有減輕重量和減小電磁干擾(EMI)的優勢。8848汽車技術網 K&i%W!e?5w2a.h

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    MOST總線基于環形拓撲，從而允許共享多個發送和接收器的數據。MOST總線主控器(通常位于汽車音響主機處)有助于數據采集，所以該網絡可支持多個主拓撲結構，在一個網絡上最多高達64個主設備。為了確保數據安全，總線主控器在上電時將查詢總線上的每一臺從設備并且完成自動密鑰交換(AKE)。如果從設備有一個有效的總線密鑰，那么允許它使用預定的協議發送和接收MOST總線上的數據。

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    MOST傳輸協議由分割成幀的數據塊組成，每一幀包含流數據、分組數據和控制數據。流數據與MOST時鐘同步并且不斷地在網絡中循環傳輸。分組數據與MOST時鐘異步，根據需要產生，其中一個例子就是來自無線個人數字助理(PDA)設備的電子郵件。幀中分配給流數據和分組數據之間的帶寬是可變的，以滿足系統在特定的時間需求，并且其控制字包含數據類型、在幀中什么地方可以找到數據以及數據大小等流信息。控制信息可以在多個幀中分配，并且應該在接收設備中重建。

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    音頻處理

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    圖1給出了一個簡單的基于MOST總線的車載音頻娛樂系統。來自DVD播放器音頻源內容，例如PCM、AC3和DTS通過SPDIF鏈路傳送到主機。SPDIF鏈路將以音頻源的采樣頻率(FS_in1)工作，例如對于CD音頻為44.1kHz，對于AC3和DTS等DVD視頻內容為48KHz。當要將編碼的音頻數據傳輸到網絡上時，在傳輸之前必須對傳輸內容進行加密以阻止盜版拷貝。通常對于車載系統可選的加密機制是DTCP，該機制將在下面介紹。8848汽車技術網p}#?6H’H5O8},]

!}b’t O)om:\:X9?| a    ADI公司的BlackFin處理器架構非常適合于這種功能，因為它具有豐富的外設和優化的指令集，從而能使它完成類似微控制器(MCU)的工作以及傳統DSP的工作。同時，導航系統公告(NavigationSystemAnnouncement)也必須通過MOST總線傳輸到放大器，以允許駕駛員在駕駛時能夠聽到指令。這些基于PCM的信號通常基于12.24kHz立體聲，我們稱之為FS_in2。MOST收發器可收發多種音頻源信號，并且重新將數據安排成數據塊以便在總線上傳輸(如圖2所示)。8848汽車技術網3^ E’@O+Z/To(_

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    一些音頻數據包中可能采用DTCP加密(如FS_in1)，它們通過總線傳輸到放大器部分，而這部分通常位于汽車尾部(見圖3)。8848汽車技術網f$j\n?/E/t1W

N!YW&b-ky4nYZm!m4X    當音頻源數據通過MOST總線發送后，DSP必須重構原始分組數據，并且如果數據是DTCP加密的，則需要將數據流解密為最初的形式。通過MOST總線傳輸的副作用就是丟失了源音頻的原始采樣速率，即使采用時鐘重構技術，原始的源采樣率也無法精確地重構，這將導致DSP緩存器中可聽到的“pop”聲以及聲音丟失。

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w/t6~6d$|;m,H    為了進一步增加系統的復雜性，使用DTCP的加密技術已經成為網絡應用中的必備條件，從而可為通過網絡的數字數據提供安全。DTCP有四層拷貝保護機制：拷貝控制信息(CCI)、設備鑒別和AKE、內容加密和系統更新。8848汽車技術網|%t~5f3wI7s6B_

4j#ZE&T6W1BC P"hL    拷貝控制信息(CCI)是以通過網絡傳輸的內容為基礎，并且它由內容擁有者決定，例如“免費拷貝”、“禁止拷貝”、“不再拷貝”和“拷貝一次”。在交換任何內容之前，網絡上的設備必須確定是否它們是原始內容。有完全鑒權和受限訪問鑒權兩個級別。在密鑰交換之后，可通過網絡傳輸內容。采用預定義基本密碼引擎加密和解密內容，并且放入MOST傳輸協議的保護內容包中，該保護包具有包頭簽名以識別已經加密的內容。8848汽車技術網,L*`2w-~ sE

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    下一代系統問題的解決方案8848汽車技術網I+ON|!W$t{(b,V-d

7m0i~5B ubuk    基于網絡的車載娛樂系統的系統相關問題日益增加，為了解決這些問題，ADI公司已經開發出了SHARCADSP-21365處理器。8848汽車技術網t(AfC0Ug$R

Q [,Dwrt9rh2V    ADSP-21365是一款32/40b的浮點單指令多數據(SIMD)信號處理器，它具有內置4Mb的ROM，完全支持所有多聲道解碼器標準，例如DolbyDigital解碼器、DTS解碼器以及包括DPL2x、Neo6等后處理模塊。客戶專用后處理模塊可以在3Mb的內部RAM上執行，客戶利用VisualAudio(見后文)這樣的音頻專用開發工具能夠在較短的時間內增加他們后處理的類別。

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    為了解決多個音頻源采用不同基本采樣率的問題，ADI公司已經將AD1896獨立的采樣率轉換器集成在到ADSP-21365中。它具有8個通道的采樣轉換和高達140dB的性能，多個音頻源不需要存儲器和MIPS開銷，并且所有的輸出后處理都能運行在單采樣速率條件下，以進一步減少數據流的復雜度。

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    其它音頻專用外設包括6個串行端口，并且支持TDM和I2S，以及集成的SPDIFTx/Rx端口以便直接與數字音頻源連接。

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    ADSP-21365SHARCDSP也包括一個基于DTCPM6密碼引擎(與DTLA兼容)的硬件。外設具有兩個專用的DMA總線，在不需要內核干涉的條件下，允許高速傳輸到M6或者從M6傳輸，并且具有對加密和解密的本地支持。ADSP-21365實現了完成DTCP兼容系統的簡單設計途徑。密碼引擎支持密鑰動態更新的功能，用戶可以使用內置定時器設置密鑰更新和改變的間隔周期，以增加在網絡上的安全性。

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    音頻處理包括FIR和IIR濾波器的密集使用。在遞歸運算中，由于信號的數字表示產生的量化誤差可能會引起音頻質量的下降。高端音頻處理器，例如ADI公司的SHARC處理器，使用浮點表示音頻信號以減少這種誤差。

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/l_C’j8C~D    在高檔音頻系統中，通常聲音的質量是通過如何準確地再現小幅度或非常安靜的聲音來衡量的。隨著音頻信號幅度變得越來越小，定點處理器精確再現這種信號的能力是有限的，但是對于浮點處理器而言，保持音頻等級的精度包含在固定的界限內，并且具有186dB的最小SNR。SHARC處理器具有40b浮點精度和80b的累加器，從而可以實現非常高性能的音頻。

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    家庭影院音頻處理器的另一個重要特性就是動態范圍。動態范圍定義為在音頻處理器能夠沒有下溢或溢出條件下再現音頻信號幅度的最小值和最大值的比值。同樣的，浮點處理器遠遠超越了定點處理器所能實現的動態范圍。

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    隨著預解碼器算法和后解碼器算法的復雜度日益增加，實現家庭影院體驗需要的MIPS數或執行周期數也始終在增加。為了解決這些問題，最顯然的方法就是增加信號處理器的時鐘頻率。8848汽車技術網D%Y;y!|G9lQ;o6R

R^;~ _9{-]N    由于硅工藝的限制，這種方法實現起來有很多障礙，因此信號處理器供應商通過改進處理器架構來解決這個問題。一些信號處理器供應商已經采用MIMD架構，即在一個時鐘周期內執行多條指令同時完成多個數據移動。該架構需要更多的存儲器，因此直接影響到芯片的成本。SHARC處理器架構采用SIMD的創新方法，可采用相同的指令隱含地完成第二個平行的算術單元，因此使得代碼更緊湊從而可以降低完成這些算法所需的MIPS數。鑒于這種SIMD架構，音頻信號處理器無需額外的處理開銷可并行地處理立體聲信號。SHARC內核基于完全互鎖的5階代碼流水線，這意味著程序員無需擔心數據什么時候可用即可隨時寫入代碼。算法流水線優化為1個時鐘周期，這意味著計算結果在下一個周期立即提供以便進一步計算。

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    由于ADSP-21365SHARC處理器提供車載音頻專用外設和基于32b浮點內核的SIMD，所以它能使音頻系統達到新的性能水平。8848汽車技術網0[Tf?VB+L,G!Zw*]X

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    使用VisualAudio定制音頻后處理設計

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;`+Pm+hwG4qN    過去，DSP用戶面臨的挑戰就是最佳利用處理器時鐘周期和有效利用存儲器的軟件開發。采用匯編語言手動編碼音頻信號處理算法這種長期使用的方法已經越來越不可行，特別是這種方法需要將大部分的精力放在創建標準的“項目清單”或“me-too”功能，而不是集中精力通過增加產品差異化價值。因此，需要一種開發音頻軟件的改進方法。8848汽車技術網Z(OO:D#Rb7N1fQ

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    為了滿足這種需求，ADI公司開發出一種VisualAudio圖形環境以幫助設計和開發使用SHARC處理器系列的音頻系統。VisualAudio為音頻系統開發工程師提供了大部分的軟件模塊，以及直觀的圖形用戶截面，以便設計、開發、調試和測試音頻系統，如圖6所示。

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] zu2j-Laj    VisualAudio包含一個基于PC的圖形用戶界面(GUI，圖形工具)、一個DSP內核以及一個可擴展的音頻算法庫。與ADI公司的VisualDSP++集成開發和調試環境(IDDE)配合使用，VisualAudio可提供對MIPS和存儲器利用都經過優化的現有產品代碼。通過簡化開發復雜數字信號處理軟件的過程，VisualAudio降低了開發成本、風險和時間。因此，音頻系統開發工程師能夠集中精力增加他們的音頻產品價值以使其與其它產品實現差異化。

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5e Va9gY    VisualAudio工具允許設計工程師使用直觀的圖形工具集中精力開發定制后處理模塊，該圖形工具和強大的SHARC架構以及內置ROM解碼器功能結合在一起，從而允許快速、簡化系統開發和產品配置。8848汽車技術網Z&N9l,Vc J