高清电视音频解码的定点DSP实现

文章摘要：其中:Di 为窗系数; Sk 为子带样点. 经过以上变换, 省略了中间变量U 和W . 且利用余弦函数性质,由32 点的Xi 代替64 点V i . 简化了子带合成滤波的步骤, 并使存储量减少到一半以上,为代码移植到DSP 节省了存储空间. 计算式(3) 时, 利用Byeong G. L EE 快速算法的改进算法将32 点DCT 进行分解: 重复这样的运算,可进一步分解为更少点数的DCT ,每分解一次,乘法运算和加法运算可减少一半. 以32 点DCT 为例, 乘法和加法运算分别为1 024次和992 次. 将其分解为两个16 点的DCT后,乘法和加法次数分别减少到529 和527 次. 考虑到

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其中:Di 为窗系数; Sk 为子带样点.

经过以上变换, 省略了中间变量U 和W . 且利用余弦函数性质,由32 点的Xi 代替64 点V i . 简化了子带合成滤波的步骤, 并使存储量减少到一半以上,为代码移植到DSP 节省了存储空间. 计算式(3) 时, 利用Byeong G. L EE 快速算法的改进算法将32 点DCT 进行分解:

重复这样的运算,可进一步分解为更少点数的DCT ,每分解一次,乘法运算和加法运算可减少一半. 以32 点DCT 为例, 乘法和加法运算分别为1 024次和992 次. 将其分解为两个16 点的DCT后,乘法和加法次数分别减少到529 和527 次. 考虑到定点DSP 的有限字长效应,实际只需分解一次,将32 点DCT 化成两个16 点的DCT. 简化子带滤波流程以及使用快速DCT 变换后,子带合成滤波部分的运算量减少了约60 %.

用C语言进行算法验证时,考虑到不同机器的通用性,对于解码后的PCM 样点分别采用不同的格式封装: 对于Intel 系列的机器,采用小端格式(Lit tle Endian) ,故解码后样点以wave 格式封装;对于Motorola , Macintosh 等机器,采用大端格式(Big Endian) ,因而解码后样点采用aiff 格式封装.这样解码后的音频就可直接用winamp 等软件进行播放,测试效果.

3 定点化程序及性能分析

实现解码时描述算法采用浮点程序,以确保精度,但速度慢. 为了在定点DSP 上实现解码,程序必须进行定点化,以有限精度实现. 定点化程序时,以浮点程序为模板,逐个将模块改造成定点. 每做完一个模块,将定点程序解码结果与浮点程序的解码结果进行比较,直到差值达到要求为止. 每个模块改造前,先估计本模块内数据动态范围,再决定采用何种精度. 其中余弦函数的定点运算通过查表法实现,即先把[ 0 ,π/ 2]间划分为212 个小格子,然后把弧度值映射到小格子上,通过查表 读取结果.为了对定点化程序进行测试,由式(8) 计算定点解码结果与浮点解码结果信噪比:

其中:PCMfix 为定点程序解码结果; PCMfloat 为浮点程序解码结果; 65 535. 0 为两个16 位PCM 样点之差的最大值.有的文献以∑PCM2float 为分子,这样算出来的结果与特定的码流有关,若码流PCM 样点值较大,计算出信噪比则较大. 而式(8) 不受具体码流的影响,客观地对不同码流作出评价对比. 定点程序分别经过男声、女声,小提琴声,海浪声和进行曲乐声等码流测试,SNR 都在74～78 dB 范围内,获得了较好的效果.

4 定点DSP 实现音频解码算法

TMS320DM642 是Ti 公司最新推出的一款针对多媒体处理领域的DSP ,它在C64x 的基础上,增加了许多外围设备和接口. 频率为600 MHz 的DM642 能够以30 帧的速度同时处理多达4 个分辨率为D1 (720 ×480) 的MPEG2 视频编码译码器. 此外,DM642 还能实时进行全面的Main-Profile-at-Main-Level (MP @ML) MPEG-2 视频编码,具有32MB 外部SDRAM、4 MB 闪存、组合视频输入/ 输出、S-视频输入/ 输出、V GA 输出端口以及支持媒体流的以太网端口.

将程序移植到DSP 上分两个阶段[6 ] : 第1 阶段,不考虑DSP 有关知识,根据DVP 改进算法编写C 程序,再在CCS 环境下调试C 程序,编译产生在C6000 内运行的代码,运用CCS 下的分析工具断点和profile 等,查找程序中运算量最大的部分,改进这部分代码性能;第2 阶段,使用DSP 提供的内联函数代替复杂的C 语言程序,使用数据打包技术,对短字长的数据使用宽长度访问,并通过消除冗余循环、循环展开等方法优化循环程序. 最后,利用DSP提供的汇编优化器,选定合适的优化选项进行编译,此步可通过线性汇编,在底层更好地利用资源.目标DSP 的乘法器为16 位×16 位,而程序中用到32 位×32 位乘法,结果为32 位. 因此采用3个16 位×16 位乘法代替,输出结果仍保留32 位.其方法为

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