隨著移動(dòng)游戲和語(yǔ)音觸發(fā)等應(yīng)用的日益普及，音頻/語(yǔ)音子系統(tǒng)在許多移動(dòng)片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要作用。該子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足雙重需求：高性能、高分辨率音頻流處理以及始終在線、低功耗的語(yǔ)音觸發(fā)和識(shí)別。可定制的數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 和音頻/語(yǔ)音子系統(tǒng)解決方案知識(shí)產(chǎn)權(quán) （IP） 模塊可以提供一種經(jīng)濟(jì)高效的方式來(lái)開(kāi)發(fā)和交付高性能音頻/語(yǔ)音產(chǎn)品。

在過(guò)去十年中，智能手機(jī)和平板電腦的出現(xiàn)推動(dòng)了相當(dāng)大的技術(shù)創(chuàng)新。高性能音頻和視頻應(yīng)用對(duì)于為這些設(shè)備帶來(lái)個(gè)性化和消費(fèi)者吸引力至關(guān)重要。移動(dòng)游戲和語(yǔ)音觸發(fā)和識(shí)別等新興應(yīng)用正在將音頻/語(yǔ)音子系統(tǒng)性能的要求推向頻譜的兩個(gè)極端。一方面，對(duì)高性能、高分辨率的多通道音頻流處理的需求不斷增長(zhǎng)。另一方面，需要以極低的功耗始終開(kāi)啟語(yǔ)音觸發(fā)和語(yǔ)音識(shí)別智能。音頻/語(yǔ)音子系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須部署先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理 （DSP） 技術(shù)和架構(gòu)完善的系統(tǒng)解決方案，以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。

移動(dòng)音頻/語(yǔ)音子系統(tǒng)概述

圖 1 顯示了一個(gè)具有代表性的移動(dòng)音頻子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)以音頻 DSP 內(nèi)核為中心，處理主要的音頻數(shù)據(jù)處理，包括對(duì)不同壓縮標(biāo)準(zhǔn)的流編碼/解碼、采樣率轉(zhuǎn)換、前后處理、噪聲抑制、語(yǔ)音觸發(fā)/語(yǔ)音識(shí)別等。音頻 DSP 內(nèi)核可能會(huì)或可能不會(huì)集成到應(yīng)用處理器片上系統(tǒng) （SoC） 中。如果它被集成，DSP 內(nèi)核將是一個(gè)卸載處理器，位于 SoC 總線層次結(jié)構(gòu)上，可以訪問(wèn) SoC 的主存儲(chǔ)器系統(tǒng)。如果 DSP 未集成，則有專(zhuān)用總線接口將應(yīng)用處理器 SoC 連接到獨(dú)立 DSP。MIC 和揚(yáng)聲器等音頻外圍設(shè)備通過(guò)共享或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字總線接口連接到 DSP 內(nèi)核。音頻外圍 IC 包含模擬組件，例如數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC）/音數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）、模擬濾波器和放大器。除了連接音頻外圍設(shè)備外，還可能有音頻接口連接到蜂窩基帶或 WiFi/BT/FM 收音機(jī)組合設(shè)備，以支持語(yǔ)音通話（在智能手機(jī)中）和藍(lán)牙音頻或來(lái)自 FM 收音機(jī)的音頻流。

圖 1：具有代表性的移動(dòng)音頻/語(yǔ)音子系統(tǒng)。

高性能、低功耗音頻數(shù)據(jù)處理

對(duì)高性能 DSP 的需求是由語(yǔ)音和音頻處理需求驅(qū)動(dòng)的。在語(yǔ)音方面，為支持高性能 IP 語(yǔ)音 （VoIP） 而部署寬帶 （AMR-WB） 和超寬帶語(yǔ)音編解碼器，同時(shí)對(duì)噪聲抑制和與噪聲相關(guān)的音量控制預(yù)處理的要求也越來(lái)越高。 這些要求將音頻 DSP 處理復(fù)雜性提高了 2 到 4 倍。在音頻方面，編解碼器的復(fù)雜性隨著多通道無(wú)損版本的引入而達(dá)到頂峰，例如：

杜比 TrueHD、MS10、MS11

DTS 主音頻，M6，M8

然而，如表 1 所示，在后處理方面存在重大創(chuàng)新。

表 1：音頻后處理

對(duì)高性能的需求正在推動(dòng)音頻 DSP 擁有更多并行、更高精度的乘法累加單元 （MAC）。

在性能需求不斷增加的同時(shí)，對(duì)低功耗配置的需求也在從兩個(gè)角度增加：

對(duì)于移動(dòng)游戲或?qū)I(yè)級(jí)音頻播放等高端音頻應(yīng)用，由于移動(dòng)設(shè)備的電池壽命限制，系統(tǒng)功率分布無(wú)法隨數(shù)據(jù)處理性能保持線性增長(zhǎng)

在語(yǔ)音觸發(fā)或語(yǔ)音識(shí)別等新應(yīng)用中，音頻系統(tǒng)需要始終開(kāi)啟

這兩種觀點(diǎn)都要求 DSP 架構(gòu)具有極高的可擴(kuò)展性和效率。具有可擴(kuò)展指令集擴(kuò)展、可配置內(nèi)存/I/O 分區(qū)和高級(jí)電源管理功能的 DSP 架構(gòu)是滿足高性能和低功耗需求的最佳選擇。

低功耗音頻傳輸

為了降低功耗并支持語(yǔ)音觸發(fā)等低功耗應(yīng)用，除了音頻 DSP 的電源效率外，還需要考慮音頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省囊纛l子系統(tǒng)拓?fù)鋪?lái)看，有兩個(gè)優(yōu)化點(diǎn)可以降低音頻傳輸?shù)墓β省?/p>

第一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)是將音頻數(shù)據(jù)傳輸模型從基于系統(tǒng)內(nèi)存的模型更改為 DSP 隧道模型。使用基于系統(tǒng)內(nèi)存的模型，音頻數(shù)據(jù)預(yù)處理和后處理 DSP 被放置在整個(gè) SoC 總線層次結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)內(nèi)存中。該模型要求系統(tǒng)內(nèi)存和 SoC 總線層次結(jié)構(gòu)在音頻數(shù)據(jù)處理期間始終處于供電狀態(tài)。在此模型中，音頻數(shù)據(jù)還會(huì)多次遍歷 SoC 總線層次結(jié)構(gòu)。通過(guò)高頻 SoC 總線層次結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)會(huì)消耗大量功率并妨礙對(duì)始終在線應(yīng)用程序的有效支持。在 DSP 隧道模型中，通過(guò)音頻接口的音頻數(shù)據(jù)處理和發(fā)送/接收被本地化到具有專(zhuān)用本地存儲(chǔ)器和高效 FIFO 式接口的 DSP 處理器。

第二個(gè)優(yōu)化點(diǎn)是利用新的音頻接口標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)旨在支持具有低 I/O 引腳數(shù)和低功率效率的多個(gè)音頻外圍設(shè)備。最近，MIPI 聯(lián)盟建立了兩個(gè)新的音頻接口標(biāo)準(zhǔn)，SLIMbus 和 SoundWire，以?xún)?yōu)化音頻子系統(tǒng)的連接性。SLIMbus 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)應(yīng)用處理器和獨(dú)立 DSP 編解碼器之間的連接性。SoundWire 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)許多音頻設(shè)備，包括 DSP 編解碼器和音頻外圍設(shè)備。SoundWire 總線可以擴(kuò)展以支持多個(gè)數(shù)據(jù)通道，以便在應(yīng)用處理器和 DSP 編解碼器之間傳輸寬 PCM 音頻樣本。但也可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，以支持將窄 PDM 樣本傳輸?shù)絾蝹€(gè)數(shù)據(jù)通道上的 MIC 和揚(yáng)聲器。SoundWire 標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)據(jù)傳輸定義了一種改進(jìn)的 NRZI 數(shù)據(jù)編碼和雙倍數(shù)據(jù)速率，以最大限度地減少總線負(fù)載的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和切換。此外，該標(biāo)準(zhǔn)包含一個(gè)明確定義的時(shí)鐘速率改變方案和時(shí)鐘停止協(xié)議，以進(jìn)一步降低永遠(yuǎn)在線應(yīng)用的功耗。由 SoundWire 標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化的音頻子系統(tǒng)如圖 2 所示。

圖 2：基于 SoundWire 的音頻子系統(tǒng)優(yōu)化

構(gòu)建高性能、低功耗的音頻子系統(tǒng)

高性能、低功耗音頻子系統(tǒng)已成為移動(dòng)和消費(fèi)設(shè)備的基本要素。新興的新應(yīng)用程序，例如語(yǔ)音觸發(fā)和識(shí)別以及移動(dòng)游戲，進(jìn)一步增加了音頻處理的復(fù)雜性。音頻子系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要以極低的功耗包含始終開(kāi)啟的功能，并為多個(gè)音頻通道提供極高品質(zhì)的音頻效果。

審核編輯：郭婷