挾技術優越性　DSP車用音訊系統設計搶眼

DSP處理器核心模組性能出色
 

在整體系統架構(圖1)中，收音和音訊訊號的處理是核心模組，其型號選擇將決定系統最終的音效和可提供的功能。市場經常採用的是類比音訊處理器(ASP)或者以DSP處理核心為基礎的的音訊處理器(以下簡稱為DSP)，相較之下前者具有成本優勢，但是後者卻有明顯的技術優越性，主要包括下列幾項優勢︰DSP處理核心的處理能力強大，透過可編程的數位濾波器可提供更好的輸出音質；DSP藉由數位與類比介面能支援多種外部音源，擴展到DVD、MP3、數位廣播、語音識別等功能；因為ASP的性能容易受到環境因素的影響，相比之下，DSP的運作更為穩定、可預期，能增強系統的可靠性；此外，由於DSP的功能可透過軟體來增減，非常靈活，是ASP所無法達成，所以用戶可根據系統規格和目標成本選擇不同版本的DSP產品，甚至在DSP的韌體中建入自己所需的特定功能，以貼近實際需求，同時DSP可用於構建一個平台，藉著透過軟體模組重複使用，以更短的設計週期透過差異化的軟體來滿足未來不同車廠的需求，增強系統的靈活性和擴展性。

圖1　車用音訊系統的架構圖

車用音訊處理器走向高整合趨勢
 

SAF7730(圖2)是恩智浦推出的車用音訊處理器晶片，已經在歐洲和北美前端市場(OEM Market)被廣泛的應用採納。以恩智浦自行設計的可編程DSP處理核心為基礎，SAF7730同時整合類比數位轉換器(ADC)、數位類比轉換器(DAC)和音訊選擇電路，可在一顆IC內完成所有車用音訊處理常見的功能。SAF7730引入多DSP處理核心架構，處理能力達到650MIPS。針對收音(Radio)功能，SAF7730能同時處理前端給出的兩路中頻(IF)訊號，以此進行多徑干擾和臨近頻道干擾的去除，以獲取最好的接收音效。針對音訊處理功能，SAF7730能完成輸入音源採樣頻率轉換、第三方音效渲染等功能，並且透過協處理器可支援高畫質收音(HD Radio)和數位版權管理(DRM)的應用。

圖2　SAF7730功能架構圖

SAF7730的硬體設計比較簡單，電源部分需要1.8伏特和3.3伏特分別供電給DSP處理核心與外圍整合模組；41.6MHz的外部晶振提供系統所需的原始時鐘頻率；控制部分透過I2C匯流排來實現MCU和DSP的通訊；DSP和協處理器晶片透過I2S和SPDIF介面完成音訊數據的交換。
 

與硬體設計相比，比較複雜的是控制軟體的設計，也是本文討論的重點。

DSP控制軟體透過相應暫存器讀寫實現功能運作

在音訊處理中常見下面的運算︰

y = mx + b


其中m和b稱之為係數(Coefficients)，x和y稱之為數值。由於通常係數和數值對精度的要求不同，所以在晶片設計上，SAF7730內建的DSP處理核心選擇雙哈佛架構(Double Harvard Architecture)，資訊儲存器分為兩部分，分別是XRAM，為24位位寬，主要用於儲存數值；另YRAM為12位元，主要用於儲存係數。指令儲存器PRAM為32位元，用於儲存指令。
 

由於DSP的韌體已設定至晶片中，所以通常開發工程師只須編寫於微控制器(MCU)中控制DSP工作的程式，透過I²C協議對XRAM、YRAM、PRAM中的相應暫存器做讀寫操作，即可實現規格書所定義的相應功能。
 

在編寫程式之前須做如下的說明：為了最大限度的利用儲存器位元，寫入暫存器的值都是經過轉換的小數，範圍在(-1,1)之間。比如頻率、音量這些音訊參數，並不是原始值×Hz，×dB直接寫入暫存器，而是首先經過某種約定的運算，得到一個小數結果，然後寫入指定的某個暫存器中。若此暫存器是24位(XRAM)，那麼寫入的值是這個小數結果乘以8,388,608(2的23次方)去除小數點後的整數部分；若此暫存器是12位(YRAM)，那麼寫入的值是這個小數結果乘以2,048(2的11次方)去除小數點後的整數部分。寫入的數值用16進位數表示。
 

DSP軟體啟動頻率轉換/音訊功能
 

在以下論述中，以表1的記號來代表係數名稱和值，由於SAF7730內建多顆DSP處理核心，須要分別啟動專用於取樣頻率轉換的DSP處理核心(SDSP)和專用於音訊處理的DSP處理核心(ADSP)；若系統須要啟用特定收音處理，如FM Radio，則須設置專用於收音處理的DSP處理核心(TDSP1)，另外SAF7730引入碼鍵(Key Code)機制，對於須要激發高階音訊處理功能，如Adaptive UltraBass II、Elevation、Incredible Mono 2等第三方提供音效的應用而言，還須在ADSP啟動過程中輸入正確的Key Code。

表1　係數名稱和值
符號	獨立位址	預設值
X：SAMlin_inP	$0096	#800000
Y：TG2_Clip1	$1170	$128
Y：Tsq_ChimeVol_Bk	$0D1128	$7FF

以下是啟動SDSP和ADSP的流程︰

‧	對於SDSP
	設置特定暫存器IIC_DSP_CTR的特定位sdsp_pc_reset，首先置1，然後置0，啟動SDSP內建的程式。 打開所需的取樣頻率轉換器。SDSP的功能是對輸入的數位音訊進行取樣頻率轉換，統一轉換為ADSP能處理的標準頻率。 從邏輯上來說，SDSP提供四個取樣頻率轉換器(SRC)，須要手動對某一個或全部進行打開。每個SRC有一個對應的XRAM暫存器，要打開這個SRC時，只要修改對應的暫存器值即可。表2提供對應的暫存器和修改示例。 若要打開SRC1，則#0901FB= #800000；若要關閉SRC4，則#0901FE= #000000。

表2　SRC控制暫存器的位址
取樣頻率轉接器	獨立位址
1	$901FB
2	$901FC
3	$901FD
4	$901FE

‧	對於ADSP
	設置特定暫存器IIC_DSP_CTR的特定位adsp_pc_reset，首先置1，然後置0，啟動ADSP內置的程式。ADSP首先對所有類比和數位輸出均做靜音處理，然後ADSP直接給XRAM、YRAM各個暫存器鍵入預設值，完成初始化。 初始化結束後，DSP程式的主循環開始，進行等待。若須要激發高級音訊處理功能，此時須向特定暫存器輸入正確的Key Code。 向暫存器X:KickOffADSP中寫入#000001。接著，根據需要設置I2S音訊輸入模式。 由於ADSP支援雙路音訊同時處理，此須選擇主通道(Primary Channel)和次通道(Secondary Channel)的音源。 根據應用需要激發那些預設值為「被動(Inactive)」的功能模組，如報時產生器(Chime Generator)/光譜分析(Spectrum Analyzer)等。

‧	對於TDSP1的關閉自動靜音處理
	首先設置暫存器X:FW_RadMod，以選擇收音模式，如FM、AM等；接著設置Key Code，來選擇激發高級的收音處理功能，如狀態多樣性(Phase Diversity)，搜尋天線多樣性(Scanning Antenna Diversity)等；最後設置所需的收音處理參數。 在上述步驟中，大部分操作都是固定的暫存器操作。開發工程師須完成的工作集中在ADSP中主次通道的設計，以及TDSP1中收音處理參數的設置。由於後者涉及具體的性能指標要求，在此不再多述。

挑選所需功能模組建置音頻流程圖
 

由於基本的車用音響配置四個喇叭，前左、前右、後左、後右，DSP中基本的音訊訊號處理是基於雙通道模式，主通道處理的音源輸出到前後四個喇叭，次通道處理的音源輸出到後座耳機收聽。當然實際應用中會靈活的多，比如SAF7730的主通道可支援六通道模式，用於同時處理DVD播放端提供的三路I2S訊號，在輸出設備上還可包括中置音箱和低音炮，如此可讓駕駛者欣賞到家庭影院提供的Dolby 5.1聲道環繞身歷聲效果。
 

從技術角度上僅討論雙通道模式，DSP對音頻訊號的處理是在兩個通道中實現的，每一音訊通道可包含不同的處理環節，處理環節的選取稱之為音訊路徑(Audio Path)設計，方法是藉由一種圖示化的工具，稱為音訊訊號的流程圖(Audio Diagram)，圖3是完整音訊訊號流程圖的一部分，流程圖中基本的元素有四個︰

(1)	功能塊(Function Block)，在圖中用矩形框表示。
(2)	輸入訊號端(Stored Signal)，在圖中以空心圓圈「」表示，代表經過這個模組處理後的訊號。
(3)	模式指針(Mode Pointer)，在圖中以實心圓圈加延伸線「」表示，意指一個選擇開關，在上圖中X:PProcSelPntr必須選擇包括X:DCfilt_OutPL等某一個訊號端作為輸入。
(4)	音訊指針(Audio Pointer)，在圖中以曲線箭頭「」表示，意指一個可選連接。

圖3　SAF7730音頻訊號流程圖

根據上面的介紹，若須搭建起一個音訊流程圖，首先是選擇需要的功能模組，然後參照完整的音訊路徑做取捨或更改連接(注意通常毋須改動各個功能模組在流程圖上的先後順序)即可。
 

下面例舉一個簡單的例子，假如須要測試DSP晶片的正弦產生器(Sine Generator)的功能，一個簡單的方法就是把Sine Generator的輸出訊號直接連接到類比音訊輸出，也就是圖4的框架圖。

圖4　輸出訊號直接連接到類比音頻輸出

那麼在實際的代碼設置中，只須要將X:SinGen_OutL的相對位址分別賦予X:FDACPntr和X:RDACPntr，則FLV/RLV輸出的就是Sine Generator產生的左路音訊訊號，RLV/RRV輸出的就是Sine Generator產生的右路音訊訊號。
 

I²C輔助工具/代碼協助軟體開發
 

在電腦安裝I²C的驅動器後，使用I²C線纜連接評估板和電腦，即可使用這兩個輔助工具。PC GUI是針對特定晶片版本，用於展示各種功能並可提供功能所相應的暫存器操作流程。(圖5)

圖5　SAF7730N331的PC GUI介面和部分子菜單

ITS可用於各類使用標準I²C協議通訊的元件，透過編寫指定格式的腳本，在ITS中執行，即可觀察一系列暫存器讀寫操作的結果。(圖6)

圖6　ITS的操作介面

根據前面所述的DSP晶片啟動流程和音訊流程圖設計原理，能舉例出下面的一個示例。
 

圖7　ITS腳本代碼

以下有兩路音源，一路是CD Digital，從I²C介面輸入；一路是導航訊號，從類比介面輸入，兩者均不做特殊的音效處理，CD音源從FL/FR/RL/RR輸出，疊加導航的音頻輸出。圖7是ITS的腳本代碼，設計者能很容易改寫為C代碼植入最終的控制程式。

把上面的腳本編輯好，裝入ITS並開始運作。一切正常的話，評估板的輸出端即可以聽到CD的音樂以及導航的聲音。
 

控制軟體開發的一般流程
 

由先前內容所敘述的結果，現在可以歸納出DSP軟體開發的建議流程如圖8。並說明如下：
 

選擇功能模塊，並確定相關的係數值可區分為兩個步驟：首先，確定整個音訊處理部分的功能模組，以及相關係數，並且完成腳本、測試、移植經過試驗通過；之後再確定收音處理的功能模組，主要是收音訊號處理模組中的相關係數。
 

因為收音訊號處理模組中涉及到的係數很多，控制也比較複雜，所以此設計是本著先易後難的原則，也利於軟體測試中定位錯誤。
 

在移植程式到目標系統上進行測試之前，可以用先前小節中所提到的Sine Generator的示範程式，讓目標系統運行第一次出聲，由此以作為驗證DSP晶片電氣連接的正確性。

圖8　DSP軟體開發的建議流程

DSP軟體有利縮短系統開發時程
 

上文簡要介紹利用DSP核心處理器如何構建一個車用音訊解決方案。
 

音訊路徑的中間處理環節大多是可以編程的數位濾波器，因此可以在不改變控制程式的情況下，僅僅透過改變濾波器的係數設置即可獲得不同的音效。另外，透過增減音訊路徑的組成模組，則可以非常容易地增減功能。
 

透過這種基於軟體來實現系統功能的模式，使得設計人員能在未來規畫功能擴展的過程中，輕鬆地實現原有程式的重複使用或者移植性能，藉此可大大節省後續產品的開發時間，以實現、產品快速進入市場的目的。
 

(本文作者任職於恩智浦)