專利名稱：適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的vlsi實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字音頻編解碼技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
目前，應(yīng)用于音頻壓縮的標(biāo)準(zhǔn)如AAC(先進的音頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))、AC3(杜比音頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))和WMA(微軟音頻編解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))等都使用了基于心理聲學(xué)模型的感知編碼技術(shù)。此音頻編碼技術(shù)可以通過時頻變換得到很高的編碼效率，這其中都采用了基于MDCT/IMDCT與動態(tài)加窗的時頻變換濾波器單元。然而，完成這些濾波器運算需要很大的計算量，硬件實現(xiàn)需要較多資源。如今，人們對于移動音頻播放器的要求已經(jīng)越來越不滿足于對應(yīng)單一音頻標(biāo)準(zhǔn)的解碼器，而為了實現(xiàn)能對應(yīng)多標(biāo)準(zhǔn)的音頻解碼器，而為各個標(biāo)準(zhǔn)采用單獨的結(jié)構(gòu)與獨立的資源顯然是不合理、不經(jīng)濟的。這種做法會使得芯片成本上升、功耗提高，不具備移動設(shè)備對芯片面積與功耗方面的嚴(yán)格要求。因此，本發(fā)明希望在這樣高性能要求的系統(tǒng)中，針對AAC，AC3與WMA這三種常用音頻解碼器中的濾波器模塊，設(shè)計一個通用的處理單元。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Winnie Lau等在Consumer Electronics(消費電子雜志)1997年第43卷第559-566頁上發(fā)表的“A Common Transform For MPEG& AC3 Audio decoder”(一種MPEG與AC3音頻解碼器通用的變換)提出了一種對MPEG和AC3音頻解碼器通用的架構(gòu)，其中的公用模塊主要表現(xiàn)在濾波器運算單元。但是該濾波器中的IMDCT設(shè)計采用了64與128點FFT，無法應(yīng)對多種長度的IMDCT，使得該濾波器設(shè)計應(yīng)用范圍有限。此外，鄧寧等在《電聲技術(shù)》2005年第一期第47到49頁上發(fā)表的“運用遞歸算法實現(xiàn)共用的MDCT和IMDCT結(jié)構(gòu)”一文中提出了一種應(yīng)用于任意點數(shù)的IMDCT快速算法，但是該算法需要額外的硬件開銷存儲三角函數(shù)值作為變換系數(shù)，這樣為支持多種音頻解碼器不同點數(shù)的IMDCT變換，需要存儲大量的三角函數(shù)值，需要較大的硬件開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述問題，提供一種適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，即可運用在AAC，AC3和WMA三種主流的音頻解碼器的濾波器運算單元的VLSI實現(xiàn)方法。本發(fā)明采用了基二點FFT算法完成所有點數(shù)為2n的IMDCT變換，解決了Winnie Lau提出的框架中只能完成64或128點FFT的缺點。通過CORDIC(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換)完成指數(shù)與三角函數(shù)運算，避免了鄧寧在“運用遞歸算法實現(xiàn)共用的MDCT和IMDCT結(jié)構(gòu)”設(shè)計中額外的硬件存儲開銷。針對不同濾波器IMDCT變換點數(shù)與窗函數(shù)類型進行分析，設(shè)計統(tǒng)一的硬件框架實現(xiàn)，通過設(shè)定配置參數(shù)，完成特定標(biāo)準(zhǔn)解碼器的濾波器處理。使用該種方法實現(xiàn)濾波器，可以在支持AAC，AC3和WMA三種主流音頻解碼器的前提下，有效的控制芯片面積。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明通過設(shè)計一個參數(shù)可控制的系統(tǒng)框架，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)濾波器要求進行配置，控制系統(tǒng)下具體模塊的工作，執(zhí)行時包括IMDCT變換預(yù)處理，F(xiàn)FT運算，IMDCT變換后處理，地址映射與加窗處理五個操作步驟。其中每個步驟都需要控制參數(shù)進行配置，以完成特定標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的操作。本發(fā)明中，所有的指數(shù)與三角函數(shù)運算均通過調(diào)用CORDIC(旋轉(zhuǎn)坐標(biāo))變換完成，系統(tǒng)框架中設(shè)計有算術(shù)運算單元，各步驟處理數(shù)據(jù)時，通過分時調(diào)用完成。
本發(fā)明具體步驟如下(1)根據(jù)濾波器參數(shù)完成IMDCT變換預(yù)處理，處理后數(shù)據(jù)寫入FFT_RAM；(2)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT_RAM中數(shù)據(jù)完成FFT運算；(3)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT運算后的數(shù)據(jù)做IMDCT變換后處理；(4)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT_RAM中數(shù)據(jù)做地址映射處理。
(5)根據(jù)濾波器參數(shù)做加窗處理。
以下對各個步驟進行進一步的說明(1)根據(jù)濾波器參數(shù)完成IMDCT變換預(yù)處理，處理后數(shù)據(jù)寫入FFT_RAM本步驟中以IMDCT變換的點數(shù)N為參數(shù)完成IMDCT變換預(yù)處理。N點的IMDCT定義如下
x(n)=Σk=0N/2-1X(k)·cos(π2N(2n+1+N2)(2k+1))---(a)]]>n＝0，1，…N-1為了利用FFT運算實現(xiàn)IMDCT變換，需要對輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，預(yù)處理的完成的算法是F′(k)=X(2k)+jX(N2-1-2k)---(b)]]>k＝0，1，…N/4-1F(k)=F′(k)·exp(-2πNj(k+18))---(c)]]>k＝0，1，…N/4-1通過公式(b)和(c)的計算得到N/4點的復(fù)數(shù)，待做FFT計算。其中公式(b)通過地址變換操作完成，公式(c)中需要指數(shù)運算，本發(fā)明通過調(diào)用CORDIC運算單元實現(xiàn)。本步驟中對應(yīng)的控制參數(shù)主要是變換點數(shù)N，即IMDCT變換的點數(shù)，這個會因為解碼器標(biāo)準(zhǔn)不同而不同，所以需要由參數(shù)控制模塊控制計數(shù)器的計數(shù)周期來產(chǎn)生公式(b)中地址變換的數(shù)值與公式(c)中的CORDIC變換的旋轉(zhuǎn)角度。
本發(fā)明中假定上級處理后待做IMDCT變換的數(shù)據(jù)存儲在一片RAM中。為完成復(fù)數(shù)域的指數(shù)運算，前一拍取出的偶地址數(shù)值X(2k)(實部)需要延時，等待下一拍取出的奇地址數(shù)值X(N/2-1-2k)(虛部)，連同指數(shù)運算所需的相位值一同送入CORDIC運算單元。CORDIC運算結(jié)果分實部虛部數(shù)據(jù)寫入兩個RAM中待做下一步的FFT運算，這兩個RAM在本發(fā)明中記做FFT_RAM。
(2)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT_RAM中數(shù)據(jù)完成FFT運算；本步驟中需要IMDCT變換點數(shù)N作為FFT運算模塊的控制參數(shù)，即FFT變換的點數(shù)為N/4。本發(fā)明中采用基二點復(fù)數(shù)FFT運算，其中的指數(shù)運算通過調(diào)用公用的CORDIC運算單元完成。復(fù)數(shù)FFT運算的全過程在FFT_RAM中完成，完成FFT運算的數(shù)據(jù)仍然存儲在FFT_RAM中。對應(yīng)的表達式為f′(n)＝FFT(F(k))n＝0，1，2，…N/4-1；(d)k＝0，1，2，…N/4-1
(3)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT運算后的數(shù)據(jù)做IMDCT變換后處理本步驟中的控制參數(shù)為IMDCT的變換點數(shù)N。完成FFT運算的數(shù)據(jù)，需要進行一定的后處理，才能作為IMDCT變換的正確輸出，對應(yīng)的公式表達式為f(n)=f′(n)·exp(-2πNj(n+18))---(e)]]>n＝0，1，2，…N/4-1可以認(rèn)為本步驟與步驟(1)完成的IMDCT變換預(yù)處理的運算非常相似，但是因為完成步驟(2)的FFT運算，復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)分實部虛部存儲在兩個RAM中，所以這里無需格外的地址產(chǎn)生和延遲電路，只需根據(jù)IMDCT點數(shù)N，左移兩位作為計數(shù)器n的復(fù)位參數(shù)。由這個計數(shù)器n產(chǎn)生本步驟計算所需的取數(shù)地址和指數(shù)運算的角度。指數(shù)運算仍然通過調(diào)用CORDIC運算模塊完成。
(4)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT_RAM中數(shù)據(jù)做地址映射處理本步驟中的所需的控制參數(shù)為IMDCT的變換點數(shù)N。在步驟(3)對N/4點FFT數(shù)據(jù)進行后處理之后，存在FFT_RAM中的數(shù)據(jù)，已經(jīng)是IMDCT所需的數(shù)據(jù)，但是還需要完成如下公式表達的地址映射才能得到N點的IMDCT變換數(shù)值for(n＝0；n＜N/4；n++){x(3N4-1-2n)=-Re(f(n))]]>x(N4+2n)=Im(f(n))]]>if(n＜N/8){x(3N4+2n)=-Re(f(n))]]>x(N4-1-2n)=-Im(f(n))]]>}else{x(2n-N/4)＝Re(f(n))x(5N4-1-2n)=Im(f(n))---(f)]]>}}通過公式(f)描述的地址變換，從N/4點的復(fù)數(shù)值換算出N點的IMDCT變換的實數(shù)輸出值。該值被送入下一步窗函數(shù)處理模塊。
(5)根據(jù)濾波器參數(shù)做加窗處理；為了支持AAC，AC3和WMA三種音頻解碼標(biāo)準(zhǔn)，本模塊的控制參數(shù)為濾波器模塊的窗函數(shù)類型。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，AAC所加的窗序列為Sine窗或KBD窗，WMA所加窗為Sine窗，AC-3為KBD窗。在這里對每個數(shù)據(jù)都做KBD和Sine兩種窗函數(shù)的處理。本發(fā)明中為了最大限度控制芯片面積，Sine窗通過調(diào)用CORDIC運算模塊完成，KBD窗由于運算過于復(fù)雜，采用查表做乘法直接完成。加窗后的數(shù)據(jù)通過參數(shù)控制的選通器，確定當(dāng)前輸出是KBD窗還是Sine窗。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)本發(fā)明最大的優(yōu)點是用統(tǒng)一的框架實現(xiàn)了AAC，AC3和WMA三種基于感知音頻編碼技術(shù)的解碼器的濾波器單元。系統(tǒng)框架涉及IMDCT預(yù)處理，F(xiàn)FT運算，IMDCT后處理，加窗函數(shù)等五個模塊。每個模塊通過參數(shù)控制實現(xiàn)通用性，體現(xiàn)了硬件設(shè)計中，基于特定領(lǐng)域?qū)ｍ棏?yīng)用可重構(gòu)設(shè)計的思路。這樣的設(shè)計，有利于實現(xiàn)多標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字音頻處理的運算單元和存儲單元的共享，減小最終的芯片面積和系統(tǒng)功耗，從而極大地滿足人們對于多標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于移動多媒體之必然發(fā)展趨勢的要求。
(2)本發(fā)明所采用的CORDIC運算是一種無乘法的實現(xiàn)方式，僅通過加法和移位操作來實現(xiàn)。這樣做的優(yōu)勢主要有兩點a.去除了增大最終芯片面積與降低系統(tǒng)效率的乘法器；b.采用了執(zhí)行效率更高的移位與加法操作提供系統(tǒng)性能。所以本發(fā)明中有關(guān)三角函數(shù)與指數(shù)運算均通過調(diào)用CORDIC運算單元完成，避免系數(shù)存儲與乘法器的大量使用，降低芯片成本。
綜上所述，本發(fā)明在處理速度和硬件資源方面，都是具有優(yōu)勢的。


圖1是多標(biāo)準(zhǔn)濾波器的總體結(jié)構(gòu)圖；圖2是IMDCT預(yù)處理模塊的實現(xiàn)框圖；圖3是IMDCT后處理模塊的實現(xiàn)框圖；圖4是地址映射與加窗模塊的實現(xiàn)框圖。
具體實現(xiàn)方式結(jié)合本發(fā)明技術(shù)方案以及附圖提供以下實施例
如圖1所示為多標(biāo)準(zhǔn)濾波器整個系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。AAC，AC3和WMA三種音頻編碼技術(shù)解碼器的濾波器單元使用統(tǒng)一的框架，如圖1，本發(fā)明的5個步驟分別對應(yīng)于圖中5個硬件模塊。其對應(yīng)關(guān)系如下步驟(1)對應(yīng)IMDCT變換預(yù)處理模塊。
步驟(2)對應(yīng)FFT變換處理模塊。
步驟(3)對應(yīng)IMDCT變換后處理模塊。
步驟(4)對應(yīng)地址映射模塊。
步驟(5)對應(yīng)加窗處理模塊。
各個硬件模塊工作模式，由參數(shù)控制單元根據(jù)當(dāng)前解碼器的種類和濾波器參數(shù)進行配置，實現(xiàn)了硬件資源可重構(gòu)使用。以下結(jié)合圖示說明各個模塊如何在一定的參數(shù)配置下工作。
IMDCT變換預(yù)處理模塊。如圖2。音頻解碼器中經(jīng)過反量化，立體聲等處理的數(shù)據(jù)，會放在RAM中，也就是公式(b)中待做IMDCT運算的X(k)。假設(shè)現(xiàn)在待作IMDCT變換的數(shù)據(jù)點數(shù)為N(本濾波器為支持AAC，AC3和WMA三種音頻解碼標(biāo)準(zhǔn)，N＝128，256，512，1024，2048，4096)，在參數(shù)控制模塊中，將參數(shù)N右移兩位與計數(shù)器值進行比較，相等時產(chǎn)生可復(fù)位計數(shù)器的復(fù)位信號。可復(fù)位計數(shù)器將計數(shù)值送入奇偶地址產(chǎn)生單元與相位產(chǎn)生單元。奇偶地址產(chǎn)生單元根據(jù)計數(shù)器提供的數(shù)值k產(chǎn)生公式(b)中取數(shù)所需的RAM取數(shù)地址，相位產(chǎn)生單元也將根據(jù)這個k值產(chǎn)生公式(c)中指數(shù)運算所需的角度值。另外，公式(c)中的指數(shù)運算，本發(fā)明中采用系統(tǒng)框架中共用的CORDIC運算單元實現(xiàn)。因為待做IMDCT的數(shù)據(jù)存在一片RAM中，前一拍取出的偶地址數(shù)值X(2k)需要延時，等待下一拍取出的奇地址數(shù)值X(N/2-1-2k)，連同指數(shù)運算所需的相位值一同送入CORDIC運算單元。CORDIC運算結(jié)果寫入FFT運算對應(yīng)的實部虛部兩片RAM中。
IMDCT變換后處理模塊。如圖3。這一部分的處理，與步驟(1)類似，不同的是，這部分處理的數(shù)據(jù)分實部虛部存儲在兩片RAM中，所以一個運算所需的數(shù)據(jù)在同一時鐘即可從RAM中取出，無需延時電路，做完CORDIC變換的數(shù)據(jù)還是分實部虛部寫回到兩片RAM中。如公式(d)描述，無需特殊的地址變換電路，直接采用可復(fù)位計數(shù)器產(chǎn)生的值作為讀寫數(shù)據(jù)的地址即可。
地址映射模塊與加窗模塊。如圖4。為了簡單實現(xiàn)步驟(4)中的公式(f)，在硬件實施中做如下變量替換for(t＝0；t＜N/8；t++){x(2t)＝Re[f(t+N/8)]x(2t+1)＝-Im[f(N/8-t)]}for(t＝N/8；t＜3N/8；t++){x(2t)＝Im[f(t-N/8)]x(2t+1)＝-Re[f(3N/8-t)]}for(t＝3N/8；t＜N/2；t++){x(2t)＝-Re[f(t-3N/8)]x(2t+1)＝Im[f(5N/8-t)]}(g)其中N為IMDCT變換點數(shù)，作為本模塊控制參數(shù)提供。為了支持AAC，AC3和WMA三種音頻解碼標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)當(dāng)前實現(xiàn)的是那一個標(biāo)準(zhǔn)的濾波器來選定適合的窗函數(shù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，AAC所加的窗序列為Sine窗或KBD窗，WMA所加窗為Sine窗，AC-3為KBD窗。在這里對每個數(shù)據(jù)都做KBD和Sine兩種窗函數(shù)的處理。本發(fā)明中為了最大限度控制芯片面積，Sine通過調(diào)用CORDIC運算模塊完成，KBD窗由于運算過于復(fù)雜，采用查表做乘法直接完成。加窗后的數(shù)據(jù)通過選通器，確定當(dāng)前輸出是KBD窗還是Sine窗。
權(quán)利要求
1.一種適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，其特征在于，通過一個能由參數(shù)配置的系統(tǒng)框架，通過參數(shù)配置內(nèi)部運算模塊，實現(xiàn)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的濾波處理，包括以下步驟(1)根據(jù)濾波器參數(shù)完成IMDCT變換預(yù)處理，處理后數(shù)據(jù)寫入FFT_RAM；(2)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT_RAM中數(shù)據(jù)完成FFT運算；(3)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT運算后的數(shù)據(jù)做IMDCT變換后處理；(4)根據(jù)濾波器參數(shù)對FFT_RAM中數(shù)據(jù)做地址映射處理。(5)根據(jù)濾波器參數(shù)做加窗處理。
2.權(quán)利要求1所述的適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟(1)，具體為N點的IMDCT定義如下x(n)=Σk=0N/2-1X(k)·cos(π2N(2n+1+N2)(2k+1))]]>n＝0，1，…N-1采用FFT運算實現(xiàn)IMDCT變換，需要對輸入數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，預(yù)處理的完成的算法是F′(k)=X(2k)+jX(N2-1-2k)]]>k＝0，1，…N/4-1F(k)=F′(k)·exp(-2πNj(k+18))]]>k＝0，1，…N/4-1其中N為IMDCT的變換點數(shù)，因標(biāo)準(zhǔn)不同對應(yīng)有不同的數(shù)值，是本步驟對應(yīng)的實現(xiàn)單元的控制參數(shù)。
3.權(quán)利要求1所述的適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟(2)，具體為采用基二點復(fù)數(shù)FFT運算，其中的指數(shù)運算通過調(diào)用系統(tǒng)框架中公用的CORDIC運算單元完成，對應(yīng)的表達式為f′(n)＝FFT(F(k))n＝0，1，2，…N/4-1；k＝0，1，2…N/4-1FFT變換對應(yīng)點數(shù)為IMDCT變換點數(shù)的四分之一，因標(biāo)準(zhǔn)不同，對應(yīng)有不同的數(shù)值，是本步驟對應(yīng)的實現(xiàn)單元的控制參數(shù)。
4.權(quán)利要求1所述的適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟(3)，對FFT運算后的數(shù)據(jù)，需要進行后處理，才能作為IMDCT變換的正確輸出，對應(yīng)的公式表達式為f(n)=f′(n)·exp(-2πNj(n+18))]]>n＝0，1，2，…N/4-1本步驟只需根據(jù)可復(fù)位計數(shù)器n產(chǎn)生取數(shù)地址和指數(shù)運算的角度，指數(shù)運算仍然通過調(diào)用CORDIC運算模塊完成。
5.權(quán)利要求1所述的適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟(4)，通過步驟(3)對N/4點FFT數(shù)據(jù)進行后處理之后，存在相應(yīng)RAM中的數(shù)據(jù)已經(jīng)是IMDCT所需的數(shù)據(jù)，完成如下公式表達的地址映射得到N點的IMDCT變換數(shù)值for(n＝0；n＜N/4；n++){x(3N4-1-2n)=-Re(f(n))]]>x(N4+2n)=Im(f(n))]]>if(n＜N/8){x(3N4+2n)=-Re(f(n))]]>x(N4-1-2n)=-Im(f(n))]]>}else{x(2n-N/4)＝Re(f(n))x(3N4-1-2n)=Im(f(n))]]>}}通過上述公式描述的地址變換，從N/4點的復(fù)數(shù)值換算出N點的IMDCT變換的實數(shù)輸出值，該值被送入下一步窗函數(shù)處理模塊。
6.權(quán)利要求1所述的適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法，其特征是，所述步驟(5)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，AAC所加的窗序列為Sine窗或者KBD窗，WMA所加窗為Sine窗，AC-3為KBD窗，在這里對每個數(shù)據(jù)做兩種窗變換的處理，KBD和Sine窗，Sine窗通過調(diào)用CORDIC運算模塊完成，KBD窗采用查表做乘法直接完成，加窗后的數(shù)據(jù)通過參數(shù)控制的選通器，確定當(dāng)前輸出是KBD窗還是Sine窗。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字音頻編解碼技術(shù)領(lǐng)域的適用于多音頻標(biāo)準(zhǔn)通用濾波器單元的VLSI實現(xiàn)方法。本發(fā)明采用了一個通過參數(shù)控制的系統(tǒng)框架，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)濾波器要求設(shè)定參數(shù)，控制系統(tǒng)下具體模塊的工作，執(zhí)行時包括IMDCT變換預(yù)處理，F(xiàn)FT運算，IMDCT變換后處理，地址映射與加窗處理五個操作步驟。其中每個步驟都需要配置控制參數(shù)，以完成特定標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的操作。本發(fā)明中，所有的指數(shù)與三角函數(shù)運算均通過調(diào)用CORDIC變換完成，系統(tǒng)框架中設(shè)計有算術(shù)運算單元，各步驟處理數(shù)據(jù)通過分時調(diào)用完成。使用本發(fā)明方法實現(xiàn)濾波器，可以在支持AAC，AC3和WMA三種主流音頻解碼器的前提下，有效的控制芯片面積。
文檔編號G10L19/02GK1909382SQ20061003013
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月17日
發(fā)明者劉倩茹, 劉佩林 申請人:上海交通大學(xué)