通过IP模块实现音频/语音子系统的设计

星星科技指导员 2022-06-14 1824

描述

随着移动游戏和语音触发等应用的日益普及，音频/语音子系统在许多移动片上系统（SoC）设计中发挥着重要作用。该子系统的设计必须满足双重需求：高性能、高分辨率音频流处理以及始终在线、低功耗的语音触发和识别。可定制的数字信号处理（DSP）和音频/语音子系统解决方案知识产权（IP）模块可以提供一种经济高效的方式来开发和交付高性能音频/语音产品。

在过去十年中，智能手机和平板电脑的出现推动了相当大的技术创新。高性能音频和视频应用对于为这些设备带来个性化和消费者吸引力至关重要。移动游戏和语音触发和识别等新兴应用正在将音频/语音子系统性能的要求推向频谱的两个极端。一方面，对高性能、高分辨率的多通道音频流处理的需求不断增长。另一方面，需要以极低的功耗始终开启语音触发和语音识别智能。音频/语音子系统设计必须部署先进的数字信号处理（DSP）技术和架构完善的系统解决方案，以满足不断增长的需求。

移动音频/语音子系统概述

图 1 显示了一个具有代表性的移动音频子系统。该子系统以音频 DSP 内核为中心，处理主要的音频数据处理，包括对不同压缩标准的流编码/解码、采样率转换、前后处理、噪声抑制、语音触发/语音识别等。音频 DSP 内核可能会或可能不会集成到应用处理器片上系统（SoC）中。如果它被集成，DSP 内核将是一个卸载处理器，位于 SoC 总线层次结构上，可以访问 SoC 的主存储器系统。如果 DSP 未集成，则有专用总线接口将应用处理器 SoC 连接到独立 DSP。MIC 和扬声器等音频外围设备通过共享或点对点数字总线接口连接到 DSP 内核。音频外围 IC 包含模拟组件，例如数模转换器（DAC）/音数转换器（ADC）、模拟滤波器和放大器。除了连接音频外围设备外，还可能有音频接口连接到蜂窝基带或 WiFi/BT/FM 收音机组合设备，以支持语音通话（在智能手机中）和蓝牙音频或来自 FM 收音机的音频流。

图 1：具有代表性的移动音频/语音子系统。

处理器

高性能、低功耗音频数据处理

对高性能 DSP 的需求是由语音和音频处理需求驱动的。在语音方面，为支持高性能 IP 语音（VoIP）而部署宽带（AMR-WB）和超宽带语音编解码器，同时对噪声抑制和与噪声相关的音量控制预处理的要求也越来越高。这些要求将音频 DSP 处理复杂性提高了 2 到 4 倍。在音频方面，编解码器的复杂性随着多通道无损版本的引入而达到顶峰，例如：

杜比 TrueHD、MS10、MS11

DTS 主音频，M6，M8

然而，如表 1 所示，在后处理方面存在重大创新。

表 1：音频后处理

处理器

对高性能的需求正在推动音频 DSP 拥有更多并行、更高精度的乘法累加单元（MAC）。

在性能需求不断增加的同时，对低功耗配置的需求也在从两个角度增加：

对于移动游戏或专业级音频播放等高端音频应用，由于移动设备的电池寿命限制，系统功率分布无法随数据处理性能保持线性增长

在语音触发或语音识别等新应用中，音频系统需要始终开启

这两种观点都要求 DSP 架构具有极高的可扩展性和效率。具有可扩展指令集扩展、可配置内存/I/O 分区和高级电源管理功能的 DSP 架构是满足高性能和低功耗需求的最佳选择。

低功耗音频传输

为了降低功耗并支持语音触发等低功耗应用，除了音频 DSP 的电源效率外，还需要考虑音频数据传输的效率。从音频子系统拓扑来看，有两个优化点可以降低音频传输的功率。

第一个优化点是将音频数据传输模型从基于系统内存的模型更改为 DSP 隧道模型。使用基于系统内存的模型，音频数据预处理和后处理 DSP 被放置在整个 SoC 总线层次结构的系统内存中。该模型要求系统内存和 SoC 总线层次结构在音频数据处理期间始终处于供电状态。在此模型中，音频数据还会多次遍历 SoC 总线层次结构。通过高频 SoC 总线层次结构和系统内存进行数据访问会消耗大量功率并妨碍对始终在线应用程序的有效支持。在 DSP 隧道模型中，通过音频接口的音频数据处理和发送/接收被本地化到具有专用本地存储器和高效 FIFO 式接口的 DSP 处理器。

第二个优化点是利用新的音频接口标准，这些标准旨在支持具有低 I/O 引脚数和低功率效率的多个音频外围设备。最近，MIPI 联盟建立了两个新的音频接口标准，SLIMbus 和 SoundWire，以优化音频子系统的连接性。SLIMbus 标准针对应用处理器和独立 DSP 编解码器之间的连接性。SoundWire 标准针对许多音频设备，包括 DSP 编解码器和音频外围设备。SoundWire 总线可以扩展以支持多个数据通道，以便在应用处理器和 DSP 编解码器之间传输宽 PCM 音频样本。但也可以对其进行优化，以支持将窄 PDM 样本传输到单个数据通道上的 MIC 和扬声器。SoundWire 标准为数据传输定义了一种改进的 NRZI 数据编码和双倍数据速率，以最大限度地减少总线负载的主动驱动和切换。此外，该标准包含一个明确定义的时钟速率改变方案和时钟停止协议，以进一步降低永远在线应用的功耗。由 SoundWire 标准优化的音频子系统如图 2 所示。

图 2：基于 SoundWire 的音频子系统优化

处理器

构建高性能、低功耗的音频子系统

高性能、低功耗音频子系统已成为移动和消费设备的基本要素。新兴的新应用程序，例如语音触发和识别以及移动游戏，进一步增加了音频处理的复杂性。音频子系统设计需要以极低的功耗包含始终开启的功能，并为多个音频通道提供极高品质的音频效果。

审核编辑：郭婷

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