DAB+音頻解碼器中TNS模塊優(yōu)化設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)*

陳 俊，王國(guó)裕，龔 敏

（四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院微電子技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064）

1 引言

相較于傳統(tǒng)的模擬廣播，數(shù)字音頻廣播（DAB）具有音質(zhì)好、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，DAB的普及已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。DAB標(biāo)準(zhǔn)頒布后，其音頻編解碼方案一直采用MPEG Audio Layer II，出于進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)壓縮率、提高頻譜資源利用率的目的,國(guó)際DAB組織在2007年將壓縮比高的MPEG-4 HE-AAC v2引入了DAB音頻標(biāo)準(zhǔn)，稱為DAB+。

MPEG-2/4 AAC作為新一代的音頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)，以其高壓縮比、重建音頻質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通訊、數(shù)字廣播等數(shù)字多媒體領(lǐng)域。作為一種感知音頻編解碼方案，編碼過(guò)程中在頻域產(chǎn)生的瞬時(shí)量化噪聲，在解碼過(guò)程中會(huì)在時(shí)域變換塊內(nèi)均勻擴(kuò)散。當(dāng)一個(gè)變換塊包含瞬變信號(hào)時(shí)，量化噪聲在時(shí)域的擴(kuò)散尤為突出，會(huì)超過(guò)人耳聽覺心理聲學(xué)模型中的時(shí)域掩蔽閾區(qū)間[2]，造成人耳能夠聽到的噪聲即預(yù)回聲現(xiàn)象，預(yù)回聲是對(duì)音質(zhì)的一種嚴(yán)重傷害。為了避免預(yù)回聲現(xiàn)象，在編解碼過(guò)程中必須充分考慮量化噪聲的時(shí)域特性，盡可能的將其置于語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域掩蔽閾區(qū)間之內(nèi)。增加瞬態(tài)信號(hào)編碼位元、自適應(yīng)窗切換、增益控制等技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各種感知音頻編解碼方案中，以消除預(yù)回聲現(xiàn)象[2,3]，但這些技術(shù)在編碼效率、音頻重建質(zhì)量等方面都難以達(dá)到最優(yōu)化。而時(shí)域噪聲整形（TNS）技術(shù)只需在標(biāo)準(zhǔn)編解碼器中加入一個(gè)處理模塊，通過(guò)對(duì)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)編解碼，控制量化噪聲在時(shí)域的分布，從而有效地抑制預(yù)回聲現(xiàn)象，編碼效率、音頻重建質(zhì)量都能達(dá)到最優(yōu)化。

TNS作為AAC音頻編解碼方案的一個(gè)重要工具，能夠顯著提高解碼音頻質(zhì)量，特別是一些變化劇烈的語(yǔ)音信號(hào)。針對(duì)DAB接收機(jī)中DSP軟件AAC+解碼器功耗大的問題，文獻(xiàn)[1]給出了低功耗的AAC LC解碼器的ASIC設(shè)計(jì)方案，本文在此基礎(chǔ)上以極低的硬件資源實(shí)現(xiàn)了TNS全硬件解碼。AAC解碼器中TNS的實(shí)現(xiàn)多采用軟硬件協(xié)同的方式[5,6]，而本文將討論TNS原理、算法以及解碼端全硬件實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證方案。

2 時(shí)域噪聲整形原理

TNS是通過(guò)對(duì)頻域參數(shù)進(jìn)行開環(huán)線性預(yù)測(cè)編解碼來(lái)控制量化噪聲的時(shí)域分布，使得量化噪聲能跟隨原始語(yǔ)音信號(hào)的頻譜包絡(luò)變化，并將其置于時(shí)域掩蔽區(qū)間之內(nèi)，使人耳感覺不到噪聲的存在，從而消除預(yù)回聲現(xiàn)象。其原理主要基于以下兩種思想：

（1）頻譜包絡(luò)與時(shí)域包絡(luò)的時(shí)/頻對(duì)偶性：頻域變化劇烈的信號(hào)，可對(duì)其時(shí)域信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼；同理，時(shí)域變化劇烈的信號(hào)，可對(duì)其頻譜信號(hào)進(jìn)行預(yù)測(cè)編碼；

（2）利用頻域開環(huán)線性預(yù)測(cè)編碼（LPC）進(jìn)行時(shí)域量化噪聲整形，使解碼端的量化噪聲自適應(yīng)于原始語(yǔ)音信號(hào)[2,3]。下面給出利用預(yù)測(cè)編解碼整形量化噪聲的原理。

圖1給出了TNS利用開環(huán)線性預(yù)測(cè)整形量化噪聲的原理圖，x[k]為編碼端輸入頻譜值，y[k]為解碼端輸出頻譜值，定義重建誤差為r[k]，h為線性預(yù)測(cè)參數(shù)。

定義d[k]為頻譜預(yù)測(cè)殘差，q[k]為量化誤差，則：

由（4）式可看出，量化噪聲在Z域被傳輸函數(shù)為H[Z]的反向?yàn)V波器所整形，使其自適應(yīng)于原始輸入信號(hào)包絡(luò)[3]，從而將量化噪聲置于語(yǔ)音信號(hào)時(shí)域掩蔽區(qū)間之內(nèi)。

圖1 預(yù)測(cè)編解碼整形量化噪聲原理圖

在編碼端，分析濾波器組之后對(duì)頻譜值進(jìn)行線性預(yù)測(cè)編碼，得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào)以及邊界控制信息，如：濾波器級(jí)數(shù)、處理頻譜范圍等。在解碼端，根據(jù)相應(yīng)控制信息對(duì)預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行TNS反向（全極點(diǎn)）濾波，濾波器類型為IIR，其輸出方程及傳輸函數(shù)如式（5）和式（6）所示。其中，lpc為濾波器系數(shù)，k為濾波器級(jí)數(shù)，均由編碼端決定。

3 TNS解碼優(yōu)化及其硬件實(shí)現(xiàn)

針對(duì)TNS解碼算法以及AAC LC核心解碼器整體硬件結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)[1]，為實(shí)現(xiàn)合理利用硬件資源、降低復(fù)雜度、提高解碼效率、保證系統(tǒng)低功耗的目的，在TNS解碼硬件設(shè)計(jì)中主要基于以下方法完成設(shè)計(jì)：

（1）為提高硬件利用率，減小電路規(guī)模，設(shè)計(jì)如圖2所示的TNS解碼硬件模塊整體框架。TNS解碼模塊與 HE-AAC v2核心解碼器其他模塊一起共用兩個(gè)大小為4096×18bits的RAM、大小為9405×18bits的ROM以及可綜合的專用DSP模塊DSPC。RAM作為各模塊間數(shù)據(jù)交換的中樞，能有效避免復(fù)雜的連線，RAM0與RAM1分別用于存儲(chǔ)左右聲道頻譜值以及解碼過(guò)程中一些中間參數(shù)。ROM存放解碼過(guò)程中所有需要調(diào)用的表格以及常數(shù)。DSPC是根據(jù)音頻解碼器特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)的一個(gè)可綜合的DSP引擎,采用流水線結(jié)構(gòu)，包括輸入緩沖單元、乘法器、加/減運(yùn)算單元以及移位寄存器，總線寬度為24bit，能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)完成乘法、加/減以及移位操作，大大提高了運(yùn)算速度，同時(shí)24bit的數(shù)據(jù)寬度也保障了運(yùn)算精度，功能由存儲(chǔ)的ROM中的運(yùn)算指令所配置，其結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖2 TNS解碼模塊整體框圖

（2）由于在TNS解碼模塊中所有運(yùn)算數(shù)據(jù)均為浮點(diǎn)數(shù)，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度、節(jié)省硬件開銷，同時(shí)保證運(yùn)算精度，在硬件設(shè)計(jì)前用Matlab進(jìn)行了浮點(diǎn)、定點(diǎn)模擬并計(jì)算出采用不同精度的信噪比，設(shè)定點(diǎn)解碼結(jié)果為fix（x），浮點(diǎn)解碼結(jié)果為float（x），系統(tǒng)信噪比SNR計(jì)算如式（7）所示，我們將頻譜值、濾波器參數(shù)等數(shù)據(jù)都轉(zhuǎn)換為寬度為18bit的定點(diǎn)數(shù)，其系統(tǒng)信噪比可達(dá)98dB以上，完全滿足要求。

圖3 DSPC結(jié)構(gòu)圖

（3）TNS解碼模塊包含以下三個(gè)部分：TNS碼流解析、濾波器參數(shù)計(jì)算以及TNS反向（全極點(diǎn)）濾波器。碼流解析模塊從傳輸碼流Stream_buf中解出TNS解碼相應(yīng)參數(shù)，包括：濾波器級(jí)數(shù)、待處理頻段范圍、反射系數(shù)等，并將其存入RAM0/1中。濾波器參數(shù)計(jì)算主要包括量化參數(shù)的反量化以及l(fā)pc參數(shù)的計(jì)算。反量化涉及正弦以及移位除法運(yùn)算，在硬件設(shè)計(jì)中采取查表的方法實(shí)現(xiàn)，所有反量化結(jié)果僅占用32個(gè)ROM地址，相關(guān)參數(shù)組合作為ROM地址偏移量。

（4）在lpc參數(shù)計(jì)算過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)絕對(duì)值大于1的溢出情況，解碼結(jié)果會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的失真。我們近似地將整個(gè)反量化表右移1位，可保證所有計(jì)算過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)溢出情況，如圖4所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種近似處理與標(biāo)準(zhǔn)算法解碼結(jié)果基本一致，且避免了由于溢出所造成的噪音情況。

（5）在濾波器參數(shù)計(jì)算以及TNS反向?yàn)V波模塊中，主要涉及乘加運(yùn)算，結(jié)合DSPC的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)運(yùn)算指令，計(jì)算所需參數(shù)直接從RAM或ROM中送至DSPC的輸入緩沖模塊。TNS反向?yàn)V波器（見式（5））完成一個(gè)頻譜值的運(yùn)算僅需order+6（order為濾波器級(jí)數(shù)）個(gè)時(shí)鐘周期，所有運(yùn)算均采用同址運(yùn)算，DSPC輸出結(jié)果覆蓋原始RAM地址的頻譜值。對(duì)于AAC LC，TNS濾波器級(jí)數(shù)0＜o(jì)rder≤12，針對(duì)不同級(jí)數(shù)分別設(shè)計(jì)TNS濾波器顯然是不現(xiàn)實(shí)的，設(shè)計(jì)中我們采用狀態(tài)機(jī)的方式，能夠根據(jù)輸入控制信息，完成所有級(jí)數(shù)的TNS濾波處理。

經(jīng)FPGA綜合，該TNS解碼硬件模塊，僅占用873個(gè)邏輯單元以及少許的存儲(chǔ)單元，系統(tǒng)時(shí)鐘達(dá)到16.384MHz，具有低硬件資源、高解碼效率等特點(diǎn)。選取TNS作用效果明顯的測(cè)試矢量（單聲道、采樣率24k、比特率40kbps），進(jìn)行了硬件仿真結(jié)果與軟件解碼結(jié)果對(duì)比。如圖4所示，該硬件解碼結(jié)果（下）與采用標(biāo)準(zhǔn)算法的軟件解碼結(jié)果（中）差別細(xì)微，主觀音質(zhì)無(wú)差異，相對(duì)于不進(jìn)行TNS解碼處理的解碼結(jié)果（上）量化噪聲的均勻分布，其量化噪聲自適應(yīng)于原始語(yǔ)音信號(hào)，都能夠很好地抑制預(yù)回聲現(xiàn)象。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)軟件算法與硬件解碼結(jié)果對(duì)比

4 FPGA驗(yàn)證與測(cè)試

該TNS解碼模塊作為DAB+基帶芯片信源解碼的一部分，選取TNS作用效果明顯的DAB+節(jié)目作為測(cè)試矢量進(jìn)行FPGA驗(yàn)證與測(cè)試，本文采用用兩套驗(yàn)證測(cè)試方案：

（1）測(cè)試矢量來(lái)自SD卡，經(jīng)MCU送入音頻解碼器，對(duì)音頻解碼模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試；

（2）基于DAB接收機(jī)整機(jī)方案，利用實(shí)驗(yàn)室自建的DAB發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射DAB+節(jié)目，接收DAB信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)解碼。

FPGA驗(yàn)證測(cè)試方案如圖5所示，采用Altera EP3C120 FPGA開發(fā)板以及片外MCU、RF芯片、SD卡等組建驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)，并設(shè)置按鍵作為TNS解碼模塊的開關(guān)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TNS對(duì)于一些變化劇烈的語(yǔ)音信號(hào)音質(zhì)提高發(fā)揮了很大的作用，硬件解碼音質(zhì)令人滿意。

圖5 FPGA驗(yàn)證測(cè)試方案

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的TNS硬件解碼模塊在DAB+基帶芯片信源解碼器中成功實(shí)現(xiàn)，充分利用了已有硬件資源，實(shí)現(xiàn)充分共享，在保證了其提高音質(zhì)功能的同時(shí)，又從硬件資源、解碼效率等方面實(shí)現(xiàn)了硬件系統(tǒng)的低功耗。較之文獻(xiàn)[5,6]所采用的軟硬件協(xié)同方式實(shí)現(xiàn)TNS解碼，本設(shè)計(jì)不但采用全硬件方式實(shí)現(xiàn)，且所占用硬件資源更少；文獻(xiàn)[4]所提出的AAC解碼器純ASIC設(shè)計(jì)將TNS解碼模塊作為HSSP（硬件共享處理器）的一部分，與M/S、IS等四個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)充分共享乘法器、加法器等硬件資源，而本文所提出的整體結(jié)構(gòu)與HE-AAC v2所有功能模塊共享存儲(chǔ)單元、DSPC等硬件資源，整體上更具優(yōu)越性，進(jìn)一步提高了硬件資源利用率，由于所有解碼運(yùn)算均共享DSPC，從而大大節(jié)省了乘法、加法器資源。

［1］陸明瑩，張麗麗，王國(guó)裕，等.低功耗、便攜式數(shù)字音頻廣播接收機(jī)中AAC LC解碼器的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].電子信息學(xué)報(bào)，2011，33（5）：1229-1232.

［2］Ted Painter,Andreas Spanias,etc.Perceptual Coding of Digital Audio[J].Procedings of the IEEE,2000,88（4）: 451-515.

［3］Chi-MinLiu,Han-WenHsu,etc.Compression Artifacts in Perceptual Audio Coding[J].IEEE Transactions on Audio,2008,16:681-695.

［4］Tsung-Han Tsai,Chun-Nan Liu.Low-Power System Design for MPEG-2/4 AAC Audio Decoder Using Pure ASIC Approach[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,2009,56（1）:144-155.

［5］趙喜林，林濤.AAC音頻解碼器中TNS模塊的設(shè)計(jì)及其ASIC實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)， 2006.

［6］徐生俊，周玉潔.TNS解碼在AAC解碼SOC系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化[J].信息技術(shù)，2005.