0 引言
MP3(MPEG Audio Layer 3)是一種以高保真為前提實現(xiàn)的高效壓縮技術(shù)。MP3音頻編碼器復(fù)雜,壓縮率很高,但其音色和音質(zhì)還可以保持基本完整,因此該音頻格式文件在計算機、網(wǎng)絡(luò)和各種電子設(shè)備上都得到了廣泛運用。
由于MP3音頻解碼相對比較復(fù)雜,為了達到在控制成本的范圍內(nèi)實現(xiàn)快速解碼的要求,提出了在SoC上通過增加矩陣乘法器" title="乘法器">乘法器運行快速的兩個16點DCT算法,進一步提高MP3解碼速度的可行性方案。
1 MP3解碼流程分析
MP3解碼的流程如圖1所示,解碼的主要過程包括同步處理、解幀頭、解邊帶信息、解比例因子、Huffman解碼、逆量化、頻率線重排序、立體聲處理、混疊重建、改進離散余弦逆變換(IMDCT)、頻率倒置處理、子代綜合濾波,最后輸出原始的PCM數(shù)據(jù)。
在這些過程中由于IMDCT和子帶綜合濾波的算法比較復(fù)雜,占用硬件資源較多,處理時間長,因此功耗所占比例相應(yīng)較高。表1是在DSP平臺上成功移植后,對代碼進行耗時分析的結(jié)果。
根據(jù)表1可知,子帶綜合濾波占了整個解碼時間的60 %以上,是決定解碼速度的最關(guān)鍵模塊;其次是長塊IMDCT運算,占了整個解碼時間的10%以上。若采用MPEG-1建議的算法流程,數(shù)值計算主要集中在子帶綜合濾波上。以兩聲道48 kHz采樣率為例,乘法運算量為(48 000/32)×(64×32+512)×2=7 680 000次/s。因此,子帶綜合濾波是MP3解碼器的優(yōu)化重點,減少子帶綜合濾波的計算量和計算時間是MP3解碼器實現(xiàn)的核心。
2 子帶綜合濾波分析
子帶綜合濾波是MP3解碼的最后一部分,也是解碼過程中最為耗時的關(guān)鍵步驟。它負責(zé)從IMDCT的輸出值中把PCM值還原出來,可以分成5個步驟。首先是Matrixing(矩陣)運算,即,2,…,63。由公式可知,它從32個子帶Sk的每個子帶中取出一個值組成32個值送入一個矩陣中進行運算,然后把輸出Vi的64個結(jié)果放入一個1 024的先入先出(FIFO)緩存中,再從1 024值中取出一半,組成一個512矢量Ui,并對這512矢量進行加窗運算,即Wi=UiDi,i=1,2,…,511,加窗系數(shù)Di由MP3官方協(xié)議AnnexB Table3-B.3提供。最后將加窗結(jié)果Wi進行疊加生成32個時域PCM輸出。
1次矩陣運算" title="矩陣運算">矩陣運算乘法和加法運算過程分別為1 024次和992次,完成1個聲道的解碼需要18次矩陣運算。矩陣運算是子帶綜合濾波的關(guān)鍵步驟。實際上,Konstantinos Konstantinides提出的方法,只需要做一些變化就可以通過32點DCT變換成矩陣運算。
2.1 32點快速DCT算法分析
快速DCT變換算法主要基于系數(shù)矩陣分裂方法,增加輸入的預(yù)處理,使得乘法和加法計算量減半。32點的DCT變換到矩陣運算如圖2所示。其中V(1×64)表示矩陣的輸出,A,B都是長度為1×16的矢量,(A,B)表示32點DCT的輸出。
由于32點的DCT可以分解成2個16點的DCT變換,依次類推可以分解成8點的DCT變換,考慮到定點數(shù)字信號處理中的有限字長效應(yīng),實際只需分解1次,將32點DCT化成2個16點的DCT。簡化子帶濾波流程以及使用快速DCT變換后,子帶綜合濾波部分的運算量可以減少約60 %。
由32點DCT分解為2個16點DCT過程推導(dǎo)如下:
2.2 基于矩陣乘法器的快速DCT算法優(yōu)化
3×3矩陣乘法器由觸發(fā)器和乘累加器組成,是高性能DSP處理器的重要部件,也是實時處理的核心,其速度直接影響DSP處理器的速度。矩陣乘法器的實現(xiàn)有很多種,基本上都基于并行計算" title="并行計算">并行計算原則。由于每列結(jié)果與其他列不相關(guān),因此可以通過增加乘法器多列同時計算,經(jīng)過n次乘累加就可以得到最后結(jié)果。圖3給出矩陣乘法器的結(jié)構(gòu)。
顯然,這種結(jié)構(gòu)的計算速度很快,但是使用乘法器會因矩陣維數(shù)n的增加而快速增加,使用的觸發(fā)器也很多。在很多場合下,只要滿足處理速度的要求,完全沒有必要浪費這么多硬件資源,而是只要1個乘累加單元" title="乘累加單元">乘累加單元流水作業(yè),分步計算每1列結(jié)果既可。在做乘累加計算1個元素時候,準(zhǔn)備下一組參與運算的數(shù)據(jù),如此循環(huán),同樣可以獲得較高的處理速度。
在該設(shè)計中,由于B矩陣是1×n的一維向量輸入數(shù)據(jù),A矩陣為DCT系數(shù)矩陣,A矩陣中的元素為n個系數(shù)的線性組合" title="線性組合">線性組合,因此整個矩陣乘法器需要2組n個觸發(fā)器分別存放輸入數(shù)據(jù)和n個系數(shù),1個乘累加單元。輸入數(shù)據(jù)X[0:n],從X[O]到X[n]循環(huán)n次進入乘法器,使用選擇信號Assi-gn[0:n]選擇系數(shù)C[0:n],另外系數(shù)符號由Sign信號軟件控制,基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。
由于DCT計算本質(zhì)上就是n×n矩陣乘法運算,而n×n矩陣乘法器是在通用乘法器的基礎(chǔ)上增加2組分別存放系數(shù)矩陣的系數(shù)C(n)和輸入X(n)的n個寄存器,使之實現(xiàn)長度為n的乘累加功能,同時還需保存上次乘法結(jié)果。其中,DCT中的系數(shù)是一組n維基的n種線性組合。只需1次輸入n個系數(shù),使用軟件進行選擇和符號控制就可實現(xiàn)這些不同系數(shù)組合,無需反復(fù)往寄存器中置數(shù),大大提高了取數(shù)/置數(shù)的效率,節(jié)省了整個DCT的運算時間。
因此在計算32點的DCT,可將32點DCT分解為2個16點的DCT計算,計算量也減少1倍??梢允褂?組16×16的矩陣乘法器并行計算,使得計算時間大幅減少。表2是通過增加矩陣乘法器優(yōu)化處理后,子帶綜合濾波使用不同實現(xiàn)方式所需要的時間。
結(jié)果表明,第2.1節(jié)中使用快速32點DCT算法改進子帶綜合濾波計算是有效的,直接減少59%的計算時間。在采用并行2個16×16矩陣乘法器加速快速32點DCT的計算,可以取得明顯的效果:使得計算時間比原算法減少了約91.4%,而且硬件上只增加1個乘法器和30個數(shù)據(jù)鎖存器,以及部分控制電路。使用軟硬件協(xié)同操作就可以獲得子帶綜合濾波計算速度上的大幅度上升。
3 結(jié)語
該設(shè)計面向SoC實現(xiàn)了利用增加矩陣乘法器就可加快基于32點快速DCT算法的MP3解碼中子帶綜合濾波的處理速度,大大緩解了系統(tǒng)的頸瓶,使得采用系統(tǒng)主頻比較低(fs≤100 MHz)的SoC平臺進行MP3的解碼成為可能。