通過(guò)仔細(xì)規(guī)劃來(lái)成功實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聲學(xué)處理

低延時(shí)時(shí)、實(shí)時(shí)聲學(xué)處理是許多嵌入式處理應(yīng)用的關(guān)鍵因素，其中包括語(yǔ)音預(yù)處理、語(yǔ)音識(shí)別和主動(dòng)降噪(ANC)。隨著這些應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性能的要求穩(wěn)步提高，開(kāi)發(fā)人員需要以戰(zhàn)略思維來(lái)妥善應(yīng)對(duì)這些要求。由于許多大型系統(tǒng)都由芯片提供可觀的性能，因此我們往往會(huì)將出現(xiàn)的任何額外任務(wù)都加載到這些設(shè)備上，但我們需要知道，延時(shí)時(shí)和其確定性是非常關(guān)鍵的因素，如果未仔細(xì)考慮，很容易引發(fā)重大的實(shí)時(shí)系統(tǒng)問(wèn)題。本文將探討設(shè)計(jì)人員在選擇SoC和專(zhuān)用音頻DSP時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題，以避免實(shí)時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)出現(xiàn)令人不快的意外。

低延時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。例如，單單是在汽車(chē)領(lǐng)域，低延時(shí)對(duì)于個(gè)人音頻區(qū)域、路噪降噪和車(chē)內(nèi)通訊系統(tǒng)等都至關(guān)重要。

隨著汽車(chē)電氣化趨勢(shì)涌現(xiàn)，路噪降噪變得更加重要，因?yàn)闆](méi)有內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生明顯噪音。所以，與汽車(chē)道路接觸相關(guān)的噪音會(huì)變得更明顯、更擾人。減少這種噪音不僅能帶來(lái)更舒適的駕駛體驗(yàn)，還能減少駕駛員疲勞感。與在專(zhuān)用音頻DSP上部署低延時(shí)時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)相比，在SoC上部署會(huì)面臨諸多挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題包括延時(shí)時(shí)、可擴(kuò)展性、可升級(jí)性、算法考量、硬件加速和客戶(hù)支持。我們來(lái)逐一進(jìn)行介紹。

延時(shí)

在實(shí)時(shí)聲學(xué)處理系統(tǒng)中，延時(shí)問(wèn)題非常重要。如果處理器跟不上系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)搬運(yùn)和計(jì)算需求，會(huì)導(dǎo)致不可接受的音頻斷續(xù)。

一般來(lái)說(shuō)，SoC會(huì)配備小型片內(nèi)SRAM，因此，大部分本地存儲(chǔ)器訪問(wèn)必須依賴(lài)緩存。這導(dǎo)致代碼和數(shù)據(jù)的使用具有不確定性，還會(huì)增大處理延時(shí)。對(duì)于ANC這樣的實(shí)時(shí)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，單是這一點(diǎn)就無(wú)法接受。但是，事實(shí)上，SoC也會(huì)運(yùn)行管理繁重的多任務(wù)非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。這會(huì)放大系統(tǒng)的不確定性操作特性，使其很難在多任務(wù)環(huán)境中支持相對(duì)復(fù)雜的聲學(xué)處理。

圖1顯示了一個(gè)運(yùn)行實(shí)時(shí)音頻處理負(fù)載的SoC的具體示例，在處理更高優(yōu)先級(jí)的SoC任務(wù)時(shí)，CPU負(fù)載出現(xiàn)峰值。例如，在執(zhí)行以SoC為中心的任務(wù)時(shí)，包括在系統(tǒng)上進(jìn)行媒體渲染、瀏覽或執(zhí)行應(yīng)用，可能會(huì)出現(xiàn)這些峰值。當(dāng)峰值超過(guò)100% CPU負(fù)載時(shí)，SoC將不再實(shí)時(shí)運(yùn)行，這會(huì)導(dǎo)致音頻丟失。

圖1 除了運(yùn)行其他任務(wù)外，運(yùn)行高音頻負(fù)載處理的典型SoC的瞬時(shí)CPU負(fù)載。¹

另一方面，音頻DSP的架構(gòu)是為了在整個(gè)信號(hào)處理路徑（從采樣音頻輸入到處理（例如，音效+噪聲抑制）到揚(yáng)聲器輸出）中實(shí)現(xiàn)低延時(shí)。L1指令和數(shù)據(jù)SRAM是最接近處理器內(nèi)核的單周期存儲(chǔ)器，足以支持多個(gè)處理算法，無(wú)需將中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到片外存儲(chǔ)器。此外，片內(nèi)L2存儲(chǔ)器（離內(nèi)核較遠(yuǎn)，但訪問(wèn)速度仍然比片外DRAM快得多）可以在L1 SRAM的存儲(chǔ)容量不夠時(shí)，提供中間數(shù)據(jù)操作緩存。最后，音頻DSP通常運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，確?？梢栽谛螺斎霐?shù)據(jù)到達(dá)之前完成輸入數(shù)據(jù)處理并將其搬移到目標(biāo)位置，從而確保數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在實(shí)時(shí)操作期間不會(huì)上溢。

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的實(shí)際延時(shí)時(shí)（通常通過(guò)啟動(dòng)發(fā)聲來(lái)表征）也是重要指標(biāo)，尤其是對(duì)于汽車(chē)系統(tǒng)，它要求在啟動(dòng)后的某個(gè)窗口內(nèi)播報(bào)提示音。在SoC領(lǐng)域，通常采用很長(zhǎng)的啟動(dòng)時(shí)序，其中包括啟動(dòng)整個(gè)設(shè)備的操作系統(tǒng)，所以很難或無(wú)法滿(mǎn)足這個(gè)啟動(dòng)要求。另一方面，可以對(duì)運(yùn)行自己的RTOS、不受其他無(wú)關(guān)的系統(tǒng)優(yōu)先級(jí)影響的獨(dú)立式音頻DSP實(shí)施優(yōu)化，以加快其啟動(dòng)速度，從而滿(mǎn)足啟動(dòng)發(fā)聲要求。

可擴(kuò)展性

雖然在諸如噪聲控制等應(yīng)用中，對(duì)于SoC來(lái)說(shuō)，延時(shí)是個(gè)問(wèn)題，但對(duì)于想要執(zhí)行聲學(xué)處理的SoC來(lái)說(shuō)，可擴(kuò)展性是另一個(gè)缺點(diǎn)。換句話(huà)說(shuō)，控制具有許多不同子系統(tǒng)的大型系統(tǒng)（例如汽車(chē)多媒體主機(jī)和儀表盤(pán)）的SoC無(wú)法輕易從低端擴(kuò)展到滿(mǎn)足高端音頻需求，這是因?yàn)槊總€(gè)子系統(tǒng)組件的可擴(kuò)展性需求之間始終存在沖突，需要在整體SoC利用率方面進(jìn)行權(quán)衡。例如，如果前端SoC連接到遠(yuǎn)端收音模組，并且適配多種車(chē)型，那么該收音模組需要從幾個(gè)通道擴(kuò)展到多個(gè)通道，而每個(gè)通道都會(huì)加劇之前提到的實(shí)時(shí)問(wèn)題。這是因?yàn)镾oC控制下的每個(gè)附加特性都會(huì)改變SoC的實(shí)時(shí)行為，以及多個(gè)功能所使用的關(guān)鍵架構(gòu)組件的資源可用性。這些資源包括存儲(chǔ)器帶寬、處理器內(nèi)核周期和系統(tǒng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)仲裁槽等方面。

除了有關(guān)連接到多任務(wù)SoC的其他子系統(tǒng)的問(wèn)題外，聲學(xué)系統(tǒng)本身也存在擴(kuò)展性問(wèn)題。其中涉及低端到高端的擴(kuò)展（例如，增加ANC應(yīng)用中麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器通道的數(shù)量），也涉及音頻體驗(yàn)擴(kuò)展，從基本的音頻解碼和立體聲播放一直到3D虛擬化和其他高級(jí)功能。雖然這些要求不具有ANC系統(tǒng)的實(shí)時(shí)限制，但它們與系統(tǒng)音頻處理器的選擇直接相關(guān)。

使用一個(gè)單獨(dú)的音頻DSP作為SoC的協(xié)處理器是解決音頻可擴(kuò)展性問(wèn)題的極佳解決方案，可以實(shí)現(xiàn)模塊化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和成本優(yōu)化的解決方案。SoC可以減少對(duì)大型系統(tǒng)實(shí)時(shí)聲學(xué)處理需求的關(guān)注，將這種處理需求轉(zhuǎn)移到低延時(shí)音頻DSP上進(jìn)行。此外，音頻DSP提供代碼兼容和引腳兼容選項(xiàng)，涵蓋幾種不同的價(jià)格/性能/存儲(chǔ)容量等級(jí)，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠最大限度地靈活選擇適合給定產(chǎn)品層級(jí)的音頻性能產(chǎn)品。

圖2 ADSP-2156x DSP，高度可擴(kuò)展的音頻處理器

可升級(jí)性

隨著如今的汽車(chē)越來(lái)越普遍地采用OTA，通過(guò)發(fā)布關(guān)鍵補(bǔ)丁或提供新功能進(jìn)行升級(jí)變得越來(lái)越重要。由于其各個(gè)子系統(tǒng)之間的依賴(lài)性增加，這可能會(huì)導(dǎo)致SoC的關(guān)鍵問(wèn)題。首先，多個(gè)處理和數(shù)據(jù)移動(dòng)線(xiàn)程會(huì)在SoC上爭(zhēng)奪資源。在添加新功能時(shí)，尤其是在處于活動(dòng)高峰期間時(shí)，這會(huì)加劇處理器MIPS和存儲(chǔ)空間的競(jìng)爭(zhēng)。從音頻的角度來(lái)看，其他SoC控制域中的新增特性可能會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)聲學(xué)性能產(chǎn)生無(wú)法預(yù)測(cè)的影響。這種情況帶來(lái)的一個(gè)負(fù)面影響是：新功能必須在所有操作平面上進(jìn)行交叉測(cè)試，導(dǎo)致彼此競(jìng)爭(zhēng)的子系統(tǒng)的各種操作模式之間出現(xiàn)無(wú)數(shù)排列組合。所以，每個(gè)升級(jí)包的軟件驗(yàn)證次數(shù)都會(huì)成倍增加。

從另一個(gè)角度來(lái)看，可以說(shuō)除了受SoC控制的其他子系統(tǒng)的功能圖譜外，SoC音頻性能的改善還取決于可用的SoC MIPS。

算法開(kāi)發(fā)與性能

顯然，在開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)聲學(xué)算法時(shí)，音頻DSP旨在達(dá)成任務(wù)目標(biāo)。與SoC的顯著區(qū)別在于，獨(dú)立音頻DSP可以提供圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境，讓缺乏DSP編碼經(jīng)驗(yàn)的工程師能夠在其設(shè)計(jì)中集成高質(zhì)量的聲學(xué)處理。這種類(lèi)型的工具可以在不犧牲質(zhì)量和性能的情況下通過(guò)縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間來(lái)降低開(kāi)發(fā)成本。

例如，ADI的SigmaStudio?圖形音頻開(kāi)發(fā)環(huán)境提供多種集成至直觀的圖形用戶(hù)界面(GUI)的信號(hào)處理算法，從而能夠創(chuàng)建復(fù)雜的音頻信號(hào)流。它還支持采用圖形A2B配置進(jìn)行音頻傳輸，非常有助于加快實(shí)時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

音頻輔助硬件特性

除了專(zhuān)為高效并行浮點(diǎn)計(jì)算和數(shù)據(jù)訪問(wèn)而設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核架構(gòu)外，音頻DSP通常還采用專(zhuān)用的多通道加速器來(lái)運(yùn)行通用算法，例如快速傅立葉變換(FFT)、有限和無(wú)限脈沖響應(yīng)（FIR和IIR）濾波，以及異步采樣速率轉(zhuǎn)換(ASRC)。這樣允許在內(nèi)核CPU之外進(jìn)行實(shí)時(shí)音頻濾波、采樣和頻域轉(zhuǎn)換，從而提高內(nèi)核的有效性能。此外，由于它們采用優(yōu)化的架構(gòu)，提供數(shù)據(jù)流管理功能，所以有助于構(gòu)建靈活且方便用戶(hù)使用的編程模型。

由于音頻通道數(shù)量、濾波器流、采樣速率等增加，我們需要使用配置程度最高的引腳接口，以支持在線(xiàn)采樣速率轉(zhuǎn)換、精密時(shí)鐘和同步高速串行端口來(lái)高效的路由數(shù)據(jù)，避免導(dǎo)致延時(shí)或外部接口邏輯增加。ADI公司的SHARC?系列處理器的數(shù)字音頻互連口(DAI)就展現(xiàn)了這種能力，如圖4所示。

圖3 ADI公司的SigmaStudio圖形開(kāi)發(fā)環(huán)境

圖4 數(shù)字音頻互連(DAI)框圖

客戶(hù)支持

在使用嵌入式處理器進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，我們常常會(huì)忽略一點(diǎn)，即客戶(hù)對(duì)設(shè)備的支持。

盡管SoC供應(yīng)商提倡在他們的內(nèi)置DSP產(chǎn)品上運(yùn)行聲學(xué)算法，但在實(shí)際使用時(shí)這會(huì)帶來(lái)一些負(fù)擔(dān)。一方面，供應(yīng)商的支持通常更復(fù)雜，因?yàn)镾oC應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域一般不涉及聲學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)。因此，往往很難為想要基于SoC的片內(nèi)DSP技術(shù)開(kāi)發(fā)自己的聲學(xué)算法的客戶(hù)提供支持。而是由供應(yīng)商提供標(biāo)準(zhǔn)算法，并收取可觀的NRE費(fèi)用，然后將聲學(xué)算法移植到SoC的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核中。即使如此，也無(wú)法保證一定能成功，在供應(yīng)商無(wú)法提供成熟、低延時(shí)的框架軟件時(shí)更是如此。最后，適合基于SoC的聲學(xué)處理的第三方生態(tài)系統(tǒng)往往相當(dāng)脆弱，因?yàn)檫@個(gè)領(lǐng)域不是SoC關(guān)注的重點(diǎn)。

顯然，專(zhuān)用音頻DSP可為開(kāi)發(fā)復(fù)雜的聲學(xué)系統(tǒng)提供更強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)，從優(yōu)化的算法庫(kù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和易于使用的開(kāi)發(fā)工具。此外，有助于加快產(chǎn)品上市的以音頻為主的參考平臺(tái)（例如ADI的SHARC音頻模塊平臺(tái)，如圖5所示）對(duì)于SoC來(lái)說(shuō)比較少見(jiàn)，但在獨(dú)立音頻DSP領(lǐng)域卻很常見(jiàn)。

圖5 SHARC音頻模塊(SAM)開(kāi)發(fā)平臺(tái)

總之，很明顯，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)聲學(xué)系統(tǒng)需要細(xì)致、戰(zhàn)略性的規(guī)劃系統(tǒng)資源，不能單單通過(guò)在多任務(wù)SoC上分配處理裕量來(lái)進(jìn)行管理。相反，針對(duì)低延時(shí)處理而優(yōu)化獨(dú)立的音頻DSP有望提高其耐用性，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)出色的可擴(kuò)展性，以適應(yīng)未來(lái)的系統(tǒng)需求和性能等級(jí)。

參考資料

1 Paul Beckmann?！岸嗪薙OC處理器：性能、分析和優(yōu)化?！?017年度AES國(guó)際汽車(chē)音頻大會(huì)，2017年8月。

作者簡(jiǎn)介

David Katz在模擬、數(shù)字和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面擁有30年的經(jīng)驗(yàn)。他是ADI公司汽車(chē)信息娛樂(lè)系統(tǒng)架構(gòu)總監(jiān)。他在國(guó)際上已發(fā)表了將近100篇關(guān)于嵌入式處理的文章，并在該領(lǐng)域提交了數(shù)篇會(huì)議論文。加入ADI公司之前，他在摩托羅拉公司工作，擔(dān)任電纜調(diào)制解調(diào)器和工廠自動(dòng)化部門(mén)的高級(jí)設(shè)計(jì)工程師。David擁有康奈爾大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：david.katz@analog.com。