CN108320754B - 一种音频解码器、解码方法和多媒体系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种音频解码器和解码方法，所述音频解码器包括片上处理器、片上码流管理单元和片外存储器；所述片上码流管理单元包括第一存储单元，所述片上处理器包括第二存储单元；所述片上码流管理单元对压缩音频数据进行解复用并存入第一存储单元；所述片上处理器从所述第一存储单元调取音频数据并进行解码；解码后的码流经由第二存储单元存入片外存储器。本发明解决了混合语音格式统一解码的问题，并且具有较高的解码效率。
Description
技术领域
本发明涉及音频解码领域，尤其涉及一种音频解码器、解码方法和多媒体系统。
背景技术
目前，随着国内外市场对多媒体应用需求的不断增加，人们对视频、音频服务质量的期望不断提升，视音频解码技术越来越多的受到重视，并在近十几年里得到了飞速的发展。解码器是语音识别系统中最能直观反映系统性能的重要组成部分。解码技术的研究是一个优化解码过程，提高解码识别精度和识别速度的过程。
目前社会上的解码器大多为针对具体的语音编码技术给出相应的解码技术，例如，201610260757.3针对语音压缩给出了解决办法；CN201610188168.9针对提高数字语音的识别准确率，给出了基于机器学习的语音解码方法，CN201210226796.3针对提高语音解码的精度，给出了基于解码路径扩展的解码方法。
以上现有技术均针对单一的语音格式，如何基于统一的解码器实现多种语音格式的解码，尚缺乏有效的解决方案。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种音频解码器、解码方法和多媒体系统，所述音频解码器包括片上ARM处理器、片上码流管理单元、片外DDR存储器和音频子系统；由片上ARM处理器控制音频数据在各组成部分之间的流转：从片上码流管理单元调取音频数据并进行解码；解码后的码流存入片外存储器；输出时从片外存储器搬运到音频子系统。本发明解决了混合语音格式统一解码的问题，并且通过采用分时复用原理，提高了解码效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种音频解码器，包括：片上处理器、片上码流管理单元和片外存储器；所述片上码流管理单元包括第一存储单元，所述片上处理器包括第二存储单元；
所述片上码流管理单元对压缩音频数据进行解复用并存入第一存储单元；
所述片上处理器从所述第一存储单元调取音频数据并进行解码；
解码后的码流经由第二存储单元存入片外存储器。
进一步地，所述片上处理器调取音频数据后，还进行音频类型识别，根据所述类型从第三存储单元调取相应音频解码程序进行解码；所述第三存储单元用于预先载入多种音频格式的解码程序。
进一步地，所述音频解码器还包括片上音频子系统，接收所述解码后的码流，经外部接口输出。
进一步地，所述第二存储单元包括第一缓冲单元和第二缓冲单元；
解码过程中，将解码后的码流分为两部分，分别存入第二存储单元的第一缓冲单元和第二缓冲单元；根据分时复用原理，将码流存入第二存储单元的第一缓冲单元的同时，将第二存储单元的第二缓冲单元中的码流移动到片外存储器；将码流存入第二存储单元的第二缓冲单元的同时，将第一缓冲单元中的码流移动到片外存储器。
进一步地，所述片外存储器包括第一缓冲单元和第二缓冲单元；
解码过程中，第二存储单元的第二缓冲单元中的码流移动到片外存储器的第一缓冲单元；第一缓冲单元中的码流移动到片外存储器第二缓冲单元。
进一步地，根据分时复用原理，片外存储器的第一缓冲单元接收第二存储单元的第二缓冲单元输送的码流时，片外存储器的第二缓冲单元向音频子系统输出码流；片外存储器的第二缓冲单元接收第二存储单元的第一缓冲单元输送的码流时，片外存储器的第一缓冲单元向音频子系统输出码流。
进一步地，所述音频解码器还包括TBUS总线分离器和RBUS互连仲裁器；所述片上处理器采用TBUS总线从第一存储装置调取音频数据；音频数据向片外存储器的搬运采用AHB总线。
进一步地，所述第一存储单元为共享存储单元SRAM；所述第二存储单元为ITCM存储器；第三存储单元为DTCM单元。
根据本发明的第二目的，本发明还提供了一种多媒体系统，包括所述的语音解码器。
根据本发明的第三目的，本发明还提供了一种音频解码方法，包括：
接收压缩音频并进行解复用，获取音频码流；
分析所述码流，判断所述码流所属类型；
根据所述类型调用相应解码算法执行解码；
对解码后的码流进行输出参数配置并输出。
进一步地，所述参数配置包括：译码频率设置，译码模式设置，输出解码寄存器设置，输出模式设置。
本发明的有益效果
1、本发明提供了混合音频的解码架构，解决了混合语音格式统一解码的架构具体实现问题；提供了码流数据包解析、解码过程实现，译码模式设置(频率)，混音级别设置等软件方法，以及SPDIF输出接口，I2S接口，DAC电路核等硬件接口，解决了混合语音格式解码实现架构统一，混合格式硬件接口资源复用的问题；
2、本发明的音频混合格式解码整体架构，针对来自码流层(TP:TransportStream)的语音混合数据帧的比较详细的整体系统架构，其具有混合模式配置灵活性、语音解码的采样率解析度可调、输出接口可选，解决了传统实现解码格式单一、架构可复用性低等问题。
3、本发明采用片外存储器存储解码后的数据，当解码后语音需要输出的时候，码流从片外存储器送出到语音子系统，节省了片上存储空间，同时可支持语音回播功能。并且，解码过程中将解码数据搬运到片外存储器时采用了分时复用原理，能够以最小的硬件开销，达到最大程度提高接口的数据吞吐效率的目的，从而提高了音频解码的效率。
4、本发明的音频解码器既可以在音频全部解码后按照需求进行输出，也可以在解码过程中实时输出，片上DTCM和片外存储器均设有两个缓冲器，音频数据解码过程中数据经由片上DTCM输送到片外存储器，再到音频子系统，两个阶段均采用分时复用原理，实现了音频解码和播放的同步。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明音频解码器的整体架构图；
图2为本发明音频解码器的工作原理图；
图3为MPEG-1layer1/2的音频格式解码算法；
图4为AC-3音频格式解码算法框图；
图5为AAC音频格式解码算法；
图6为本发明音频解码器的具体应用示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本实施例公开了一种音频解码器，如图1所示，包括：
片上ARM处理器、片上码流管理单元、片上音频子系统和片外存储器；所述片上码流管理单元包括共享存储单元SRAM，所述片上ARM处理器包括ITCM存储器和DTCM单元；所述DTCM单元和片外DDR存储器均包括第一缓冲单元和第二缓冲单元；
如图2所示，所述片上ARM处理器：
控制所述片上码流管理单元对压缩音频数据进行解复用，并存入共享存储单元SRAM；
利用TBUS总线从所述共享存储单元SRAM调取音频数据，并进行类型识别；
根据所述类型从ITCM存储器调取相应语音解码程序进行解码；
解码过程中，将解码后的码流分为两部分，一部分存入DTCM单元的第一缓冲单元，另一部分存入DTCM单元的第二缓冲单元；
根据分时复用原理，将码流存入DTCM单元的第一缓冲单元的同时，将DTCM单元的第二缓冲单元中的码流移动到片外DDR存储器的第一缓冲单元；将码流存入DTCM单元的第二缓冲单元的同时，将DTCM单元的第一缓冲单元中的码流移动到片外DDR存储器第二缓冲单元；具体地，通过AHB总线实现解码后的音频数据向片外DDR存储器的搬运；
音频子系统从片外存储器接收所述解码后的码流，根据片上ARM处理器执行的相关参数配置，经外部接口输出。
可选地，同样根据分时复用原理，片外DDR存储器的第一缓冲单元接收DTCM单元的第二缓冲单元输送的码流时，片外DDR存储器的第二缓冲单元向音频子系统输出码流；片外DDR存储器的第二缓冲单元接收DTCM单元的第一缓冲单元输送的码流时，片外DDR存储器的第一缓冲单元向音频子系统输出码流。
所述音频解码器的各部分组成具体描述如下：
片上码流管理单元
压缩的音频数据由音频基本码流承载，其被码流管理单元进行解复用，然后解复用后数据被存储在音频压缩缓冲器中，音频缓冲器由码流管理单元内部的共享SRAM存储器和码流管理单元外的外部DDR存储器所组成；
片上ARM语音解码处理器
ARM处理器负责进行音频码流解码，并且通过“RBUS”总线管理音频子系统寄存器。ARM处理器根据被选择的具体压缩音频码流格式，将对应具体格式的语音解码程序在系统准备期间预先装载入ARM处理器的ITCM(instruction tightly coupled memory：指令紧密耦合存储器)单元，并且解码程序在解码执行期间将会完全调入ITCM单元；
ARM处理器通过位于码流管理单元的码流共享SRAM存储器(通过自定义RBUS总线)或者外部DDR(通过AHB总线)的专用DMA(DMA：Direct Memory Access，直接存储器访问，包括桶状移位寄存器以简化AC-3解码)去访问压缩音频码流缓冲器。DTCM(data tightlycoupled memory：数据紧密耦合存储器)用于存储解码前的压缩音频数据或者解码后的音频数据。在DTCM中和DDR存储器中均包含2个音频解码后数据缓冲器。被ARM处理器解码后的音频数据被分成两部分，其中，利用缓冲器交叉分时复用原理，DTCM中的一个缓冲器A被用来填满解码后音频数据时候，而另外一个缓冲器B的数据则被清空搬运到片外DDR存储器的缓冲器C，到另外一个时隙，DTCM中的两块缓冲单元则交换功能，ARM向DTCM中的一个缓冲器B灌入解码后码流,另外一个缓冲器A则向DDR中的一个缓冲器D输出码流。
可选地，若需要将接收到的音频进行实时的解码和播放，同样根据分时复用原理，DDR中的一个缓冲器C接收DTCM输送的码流时，DDR中的另一个缓冲器D则向音频子系统输出码流；在另外一时隙，DDR中的另一个缓冲器D接收DTCM输送的码流时，而DDR中的缓冲器C则向音频子系统输出码流。
ARM处理器通过与码流管理单元利用“TBUS”总线进行数据交互，把码流管理单元的共享存储单元SRAM中码流解复用后的音频数据调入ARM处理器的DTCM单元中，然后ARM处理器负责进行音频解码类型识别以及具体压缩音频码流的解码，然后ARM处理器将解码后的码流通过AHB总线搬运到到片外DDR物理存储器，最后将DDR中的解码后音频数据通过“TBUS”总线由ARM处理器进行音频子系统中的相关控制寄存器参数配置，最后通过相应接口进行音频播放输出。
ARM处理器负责进行音频子系统控制寄存器参数配置，响应音频子系统中断请求。
被ARM处理器解码后的码流存储在片外DDR2；当解码后语音需要输出的时候，码流再次从片外DDR2存储器送出到语音子系统。由于解码后音频码流容量很大，片内存储空间宝贵有限，片外DDR存储器容量足够大，可以满足存储要求。同时，可支持语音回播功能。
片上DDR控制器与片外对应DDR/DDR2物理存储器：完成压缩或解码后音频码流的存储或转储。
不同语音格式具体解码算法如下：
如图3所示，其为MPEG-layer1/2的解码示意流程图：
(1)输入压缩码流；
(2)数据帧同步，音频数据帧CRC重校验；
(3)码头解析得到层数、声道模式、流比特率、采样比特率信息；
(4)位元分配解码；
(5)比例系数解码；
(6)样本反量化；
(7)反离散余弦变化；
(8)分析合成子带滤波器；
(9)输出重建音频码流信号。
如图4所示，其为AC-3的解码流程图：
(1)AC-3压缩音频数据帧与编码数据流同步，进行误码纠正；
(2)读取分析音频数据帧头信息，从数码流中分离出控制数据、系统配置参数、编码后的频谱包络及量化后的尾数等数据；
(3)然后根据声音的频谱包络产生比特分配信息，对尾数部分进行反量化，恢复变换系数的指数和尾数；
(4)再经过合成滤波器组，进行反离散余弦变换，把数据由频域变换到时域；
(5)最后输出重建音频信号。
如图5所示，其为HE-AAC的解码流程算法图：
(1)输入音频码流；
(2)帧头分析；
(3)比例系数，反量化，哈夫曼解码；
(4)频谱包络分析：知觉噪音代替，音频信号进行预测，耦合强度，时域噪音修整、滤波、音频编码增益控制；
(5)输出解码后音频信号。
片上语音子系统
被ARM处理器解码后的音频数据将被ARM处理器从DDR被搬运到音频子系统的FIFO缓冲器中，然后FIFO缓冲器再被I2S或SPDIF编码器进行读取。音频子系统还包括I2S输入译码器与输入FIFO(16x 32-bits)，以支持音频子系统内部DAC核的调试。
如图1的语音子系统部分所示，音频子系统执行音频输出控制，包括：音频子系统控制器，数字到模拟转换器以及DAC模块的数字部分；
音频控制器包括三个输出路径：
SPDIF音频格式路径包括SPDIF输出FIFO(384x 32-bits)与SPDIF信号编码器，该信号编码器为音频DAC模块的数字部分提供输出音频数据；
I2S音频格式路径包括I2S输入FIFO(16x 32-bits)与I2S信号解码器，该路径用于调试模式；
I2S音频格式路径包括I2S输出FIFO(384x 32-bits)与I2S信号编码器，提供I2S音频格式的数据输出。
语音输出
片外音频DAC模拟电路核：完成解码后数字音频信号到模拟信号的转换。
解码后输出硬件部分包括：SPDIF接口，I2S接口，DAC电路核。其中
1x SPDIF(digital output)SPDIF：Sony/Philips Digital Interface Format，索尼/飞利浦数字音频接口格式；
Audio 2x DAC(analog output,Digital Analog Converter)：音频应用的数字到模拟信号转换器；
I2S(2-line serial interface,2线串行数据总线)，其数据输出到DAC电路核。
本实施例中，语音解码功能支持的几种语音解码格式如下：(1)MPEG1Layer I&II；(2)AC-3(+)；(3)HE-AAC(HE：high efficiency，高效性；AAC：Advanced Audio Coding，高级音频编码技术；HE-AAC混合了AAC与SBR技术(SBR：Spectral Band Replication，频段复制)，SBR的关键是在低码流下提供全带宽的编码而不会产生多余的信号。支持以上三种格式的语音解码器工作流程如图6。
语音解码包括解码输出参数配置模块与输出模块；
根据应用具体需要，能够控制与配置解码参数与输出部分。配置意味着什么类型的码流与语音格式应该被译码，解码后数据发到哪里；控制意味着应用层能够控制输出的音量，可以停止或暂停解码。
语音解码软件部分的详细控制功能模块(functional block diagram)，包括软件线程部分：码流数据包解析，解码具体实现(解码产生，解码使能，解码禁止，解码暂停，解码继续，解码运行，解码停止，解码状态，解码寄存器设置)，译码频率设置，译码模式(同步译码)设置，输出解码寄存器设置，输出模式(原始压缩的PCM编码/压缩/关闭)设置。
(5)片上总线互连以及总线仲裁器：
片上TBUS总线(码流管理单元与ARM处理器之间)总线，RBUS(码流管理单元与DDR控制器或音频子系统之间)互连以及对应总线仲裁器；
完成不同模块之间数据访问总线协议以及总线使用仲裁。
实施例二
本实施例的目的是提供一种语音解码方法，包括以下步骤：
接收压缩音频并进行解复用，获取音频码流；
分析所述码流，判断所述码流所属类型；
根据所述类型调用相应解码算法执行解码；
对解码后的码流进行输出参数配置并输出。
所述参数配置包括：译码频率设置，译码模式设置，输出解码寄存器设置，输出模式设置。
可以通过调用解析器对音频数据的类型进行解析判断。
本实施例中，语音解码主要针对以下三种音频格式：(1)MPEG1Layer I&II；(2)AC-3(+)；(3)HE-AAC(HE：high efficiency，高效性；AAC：Advanced Audio Coding，高级音频编码技术。
实施例三
本实施例的目的是提供一种多媒体系统，包括如实施例一中所述的语音解码器。
所述多媒体系统包括但不限于音视频播放器、DVD、电视机等，任何具有播放音乐、视频、声音的设备均应涵盖在内。
本发明的有益效果
1、本发明提供了混合音频的解码架构，解决了混合语音格式统一解码的架构具体实现问题；提供了码流数据包解析、解码过程实现，译码模式设置(频率)，混音级别设置等软件方法，以及SPDIF输出接口，I2S接口，DAC电路核等硬件接口，解决了混合语音格式解码实现架构统一，混合格式硬件接口资源复用的问题；
2、本发明的音频混合格式解码整体架构，针对来自码流层(TP:TransportStream)的语音混合数据帧的比较详细的整体系统架构，其具有混合模式配置灵活性、语音解码的采样率解析度可调、输出接口可选，解决了传统实现解码格式单一、架构可复用性低等问题。
3、本发明采用片外存储器存储解码后的数据，当解码后语音需要输出的时候，码流从片外存储器送出到语音子系统，节省了片上存储空间，同时可支持语音回播功能。并且，解码过程中将解码数据搬运到片外存储器时采用了分时复用原理，能够以最小的硬件开销，达到最大程度提高接口的数据吞吐效率的目的，从而提高了音频解码的效率。
4、本发明的音频解码器既可以在音频全部解码后按照需求进行输出，也可以在解码过程中实时输出，片上DTCM和片外存储器均设有两个缓冲器，音频数据解码过程中数据经由片上DTCM输送到片外存储器，再到音频子系统，两个阶段均采用分时复用原理，实现了音频解码和播放的同步。
本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种音频解码器，其特征在于，包括：片上处理器、片上码流管理单元和片外存储器；所述片上码流管理单元包括第一存储单元，所述片上处理器包括第二存储单元；
所述片上码流管理单元对压缩音频数据进行解复用并存入第一存储单元；
所述片上处理器从所述第一存储单元调取音频数据并进行解码；
解码后的码流经由第二存储单元存入片外存储器；
所述第二存储单元包括第一缓冲单元和第二缓冲单元；
解码过程中，将解码后的码流分为两部分，分别存入第二存储单元的第一缓冲单元和第二缓冲单元；根据分时复用原理，将码流存入第二存储单元的第一缓冲单元的同时，将第二存储单元的第二缓冲单元中的码流移动到片外存储器；将码流存入第二存储单元的第二缓冲单元的同时，将第一缓冲单元中的码流移动到片外存储器；所述片上处理器还包括第三存储单元，所述第三存储单元用于预先载入多种音频格式的解码程序；所述片上处理器调取音频数据后，还进行音频类型识别，根据所述类型从第三存储单元调取相应音频解码程序进行解码。
2.如权利要求1所述的一种音频解码器，其特征在于，所述音频解码器还包括片上音频子系统，接收所述解码后的码流，经外部接口输出。
3.如权利要求1所述的一种音频解码器，其特征在于，所述片外存储器包括第一缓冲单元和第二缓冲单元；
解码过程中，第二存储单元的第二缓冲单元中的码流移动到片外存储器的第一缓冲单元；第一缓冲单元中的码流移动到片外存储器第二缓冲单元。
4.如权利要求3所述的一种音频解码器，其特征在于，根据分时复用原理，片外存储器的第一缓冲单元接收第二存储单元的第二缓冲单元输送的码流时，片外存储器的第二缓冲单元向音频子系统输出码流；片外存储器的第二缓冲单元接收第二存储单元的第一缓冲单元输送的码流时，片外存储器的第一缓冲单元向音频子系统输出码流。
5.如权利要求1所述的一种音频解码器，其特征在于，所述音频解码器还包括TBUS总线分离器和RBUS互连仲裁器；所述片上处理器采用TBUS总线从第一存储装置调取音频数据；音频数据向片外存储器的搬运采用AHB总线。
6.如权利要求1所述的一种音频解码器，其特征在于，所述第一存储单元为共享存储单元SRAM；所述第二存储单元为ITCM存储器；第三存储单元为DTCM单元。
7.一种多媒体系统，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的音频解码器。
8.一种采用权利要求1-6任一项所述的音频解码器的音频解码方法，其特征在于，包括：
接收压缩音频，采用片上码流管理单元进行解复用，获取音频码流并存入第一存储单元；
片上处理器分析所述码流，判断所述码流所属类型；根据所述类型调用第三存储单元中的相应解码算法执行解码；
解码后的码流经由第二存储单元存入片外存储器；
对解码后的码流进行输出参数配置，经由片上音频子系统输出。
9.如权利要求8所述的一种音频解码方法，其特征在于，所述参数配置包括：译码频率设置，译码模式设置，输出解码寄存器设置，输出模式设置。
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