基于ADSP2187的HDTV音頻編碼器系統(tǒng)
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關鍵詞：音頻編碼器；ADSP2187；PES打包
MPEG－2的音頻標準是在MPEG－1音頻標準的基礎上擴展而來的。MPEG－1在低數(shù)據(jù)率傳送時會聽到與信號相關的編碼噪聲，而MPEG－2的突出貢獻就是在低數(shù)據(jù)率情況下對音頻質(zhì)量的提高，包括多通道立體聲（環(huán)繞聲）和多語言節(jié)目。MPEG－2音頻標準已經(jīng)得到了廣泛的應用，其中高清晰度電視中的音頻編碼就是這些應用中的一個熱點［1～3］。
高清晰度電視的音頻子系統(tǒng)包括音頻編碼／解碼功能，介于音頻輸入／輸出和傳送子系統(tǒng)之間。一個音頻節(jié)目源由音頻編碼器編碼并產(chǎn)生音頻基本碼流（ES 流），傳送子系統(tǒng)將ES流數(shù)據(jù)打成PES（Packetsized elementary system）包，然后再把它進一步打成傳送包（Transport packet）。傳送子系統(tǒng)將傳送包變換成調(diào)制信號傳輸?shù)浇邮諜C。本文設計的高清晰度電視信源編碼系統(tǒng)中的音頻編碼器由實時音頻編碼及PES打包、傳送組成。實時編碼主要采用MPEG－2算法［4］，編碼器系統(tǒng)同時兼顧Dolby AC－3編碼［5，6］。MPEG－2編碼算法實時實現(xiàn)的硬件核心采用AD公司的AD－SP2187來完成［7］，AC－3編碼則由杜比公司提供的Dolby DP569來完成。因此系統(tǒng)在硬件設計上包括MPEG－2編碼電路及PES打包電路，AC－3編碼器輸出ES流的PES打包電路。
1 音頻編碼系統(tǒng)設計
高清晰度電視的音頻編碼器設計，要求能夠在主控單元的控制下完成立體聲數(shù)字音頻的編碼壓縮，壓縮的碼流符合ISO／IEC11183－3 MPEG－2標準，同時可接收Dolby AC－3 ES流輸入，并完成MPEG－2及AC－3 ES碼流的PES打包，再將音頻PES流輸出到復用器。圖1是系統(tǒng)的原理結構圖。
圖1中的數(shù)字音頻輸入和AC－3編碼輸出的ES流是符合AES／EBU標準的。編碼器輸出為音頻PES流，PES打包使用的PTS（Presentationtime stamps）值由復用器提供。主控單元控制編碼器工作。
1．1 音頻編碼系統(tǒng)的硬件設計
音頻編碼系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示。
整個系統(tǒng)由音頻接收器CS8412，采樣頻率轉(zhuǎn)換器AD1890，編碼器核心ADSP2187，高速FI－FO，雙端口RAM以及EPLD器件組成。其中，CS8412能夠自動將輸入數(shù)字音頻的左右聲道時鐘、音頻數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)對應的時鐘分離。采樣頻率轉(zhuǎn)換器AD1890接收CS8412分離的時鐘和數(shù)據(jù)，將采樣率變換為編碼器所需的44．1 kHz或48 kHz。經(jīng)過采樣頻率變換后的音頻數(shù)據(jù)在ADSP2187中完成全部的編碼。編碼的細節(jié)見文［4］。編碼完成后的ES流數(shù)據(jù)輸出到EPLD完成PES打包。為了使輸出的數(shù)據(jù)與實時加入的包信息的時序配合上，設計中在二者之間用高速FIFO作為緩存。此外，EPLD除了完成ES流打包成PES流外，還完成硬件系統(tǒng)所有接口邏輯的設計。
主控單元與ADSP2187之間的數(shù)據(jù)交換，以及初始化時，主控單元向ADSP2187加載編碼程序則通過雙端口RAM完成。
1．1．1 系統(tǒng)時鐘電路的設計
由于輸入到音頻編碼器的采樣頻率必須鎖定于27 MHz的系統(tǒng)時鐘，因此必須由27 MHz系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生出AD1890工作所需的采樣頻率。同時，DSP系統(tǒng)設計屬于高速電路設計，必須考慮信號完整性，延時一致性等問題。在整個系統(tǒng)板上各種信號時鐘應盡量由同一時鐘源產(chǎn)生，所以AD1890的工作主時鐘（16 MHz）也由27 MHz系統(tǒng)時鐘變換產(chǎn)生。這里采用由兩片鎖相環(huán)器件AV9110，一片AV9170以及EPLD組成的鎖相環(huán)系統(tǒng)來實現(xiàn)27 MHz時鐘變換，產(chǎn)生16 MHz時鐘和48 kHz采樣頻率。
鎖相環(huán)系統(tǒng)設計中先采用AV9170將27MHz系統(tǒng)主時鐘倍頻，倍頻后的時鐘信號經(jīng)E－PLD分頻產(chǎn)生一個2 MHz的時鐘，然后再將這個2 MHz的時鐘經(jīng)另一片AV9170倍頻產(chǎn)生32MHz和16 MHz兩種時鐘。16 MHz時鐘就作為AD1890工作的主時鐘。32 MHz時鐘經(jīng)過AV9110進行編程產(chǎn)生一個24．576 MHz的頻率，該時鐘頻率通過在EPLD中進行512分頻后就可產(chǎn)生AD1890所需的48 kHz采樣頻率了，同時也保證了該頻率與27 MHz時鐘頻率是同步的。
1．1．2 數(shù)據(jù)通道的設計
DSP實時編碼的同時，還需將已完成的編碼作實時的輸出。由于DSP的運算速度是MIPS數(shù)量級的，這就需要在DSP輸出數(shù)據(jù)與實時打包之間加一級緩存。異步FIFO是實現(xiàn)這一功能的最佳選擇。設計中選用IDT7206作為緩存器件。在工作時，DSP不停地向FIFO寫入數(shù)據(jù)，直到FIFO處于半滿狀態(tài)，這時向FIFO發(fā)出讀信號。讀出一個固定長度（如一幀）的數(shù)據(jù)后，讀信號禁止，然后判FIFO半滿標志位的狀態(tài)，直到下一次半滿出現(xiàn)后，再向FIFO 發(fā)讀信號。需要注意，F(xiàn)IFO的讀信號周期一定要比DSP寫周期快，否則上述工作方式不成立。
1．2 PES打包設計
音頻的基本碼流在進行傳送層處理之前，要被打成可變長度的數(shù)據(jù)分組（PES），PES包的包頭含有一個開始代碼前綴和流的標識ID，用于標識該PES所傳送的基本流，此外還有包長和許多可選字段，其中最重要的是顯示時間（PTS），它在包的音頻壓縮數(shù)據(jù)開始時出現(xiàn)。音頻編碼器的PTS值由系統(tǒng)復用器實時提供，它是33 bit，由27 MHz時鐘驅(qū)動的計數(shù)器，如圖3所示。
圖3中，DCLK為27 MHz系統(tǒng)時鐘，DD為串行PTS值，數(shù)據(jù)高位在前，DVLD為與PTS值對應的有效信號。27 MHz時鐘的上升沿對應數(shù)據(jù)的穩(wěn)定期。每次發(fā)送33 bit的PTS值，重復頻率90kHz。傳送系統(tǒng)開始工作后，要用移位寄存器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行，再用幀同步信號鎖存PTS值。PES打包完成后，向復用器系統(tǒng)輸出音頻幀起始信號，數(shù)據(jù)時鐘以及打包數(shù)據(jù)。圖4是PES打包的系統(tǒng)結構框圖。
DSP在編碼時，在每一個音頻幀前都會加入16位的包頭信息，這個包頭信息可以作為一幀開始的同步信號。因此在打PES包時，要先搜索這個包頭信息以產(chǎn)生 PTS鎖存用的幀同步信號。圖5為PES打包的時序仿真，采用VHDL編程完成，Altera的MAX7256設計實現(xiàn)。
圖5中AD［7．．0］值為0xFFFDC400時表示幀同步頭的信息，當搜索到這一字串時，在這一數(shù)據(jù)對應的位置上產(chǎn)生搜頭標志信號CN。為了獲得實時PTS值，從CN這個標志開始，計數(shù)一幀，用計數(shù)的進位信號作為幀同步信號AVLD，由于音頻的PTS值每次刷新的頻率為90 kHz，也就是說音頻PTS值的變化相對于系統(tǒng)時鐘頻率是緩慢的，因此每次打包輸出前，用AVLD采樣并鎖存已經(jīng)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)的PTS值是能夠保證其實時性的。當AVLD有效后，輸出到復用器的數(shù)據(jù)總線AD［7．．0］上則插入總共14 Byte的PES包信息值，包括用AVLD鎖存的實時輸入的PTS值。為了保證編碼輸出的音頻數(shù)據(jù)不丟失，在插入PES包信息時，需將FIFO的讀信號禁止以使音頻數(shù)據(jù)緊隨包信息數(shù)據(jù)后面，這樣一個完整的音頻PES包就打包完成了。
AC－3編碼輸出打包設計原理與MPEG－2的相似，只是在搜索包頭時較為復雜一些，因為AC－3編碼輸出的幀頭信息字在一幀數(shù)據(jù)中并不是唯一的，在搜索包頭的同時，需要對幀長計數(shù)，如果前后兩幀搜索到的信息字之間的幀長是固定的，說明搜索到的是正確的頭信息，否則為偽信息字。此外，Dolby編碼器DP569的輸出是突發(fā)（burst）模式，在一幀數(shù)據(jù)中，有效數(shù)據(jù)集中于前部，其余的全部為零，具體地說，在輸出的一幀中，共有9 830 400個位時鐘（bit clock），在這么多的時鐘中，僅有25％的時鐘是對應AC－3的有效數(shù)據(jù)。而有效數(shù)據(jù)中，AC－3編碼數(shù)據(jù)又處于有效數(shù)據(jù)字（32 bit）的高16位，這就需要除了將有效數(shù)據(jù)從一幀中提取出來外，還必須將每個有效數(shù)據(jù)字的低16位去掉。
3 結 論
本文討論了基于ADSP2187處理器的高清晰度電視音頻編碼器的硬件設計與實現(xiàn)。編碼器除了能提供符合ISO／IEC13818－3 MPEG－2音頻標準的高質(zhì)量編碼外，還完成了MPEG－2與AC－3 ES流的PES打包設計，對復用器中音視頻壓縮數(shù)據(jù)復用的設計作了簡化。通過主觀測試實驗，MPEG－2與AC－3解碼后恢復的聲音接近聽不出音質(zhì)的損害。該音頻編碼器現(xiàn)已應用于國家數(shù)字電視試驗區(qū)的HDTV信源編碼器設備中。
參考文獻
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