基于矩阵乘法器的MP3解码优化设计

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0 引言
    MP3(MPEG Audio Layer 3)是一种以高保真为前提实现的高效压缩技术。MP3音频编码器复杂,压缩率很高,但其音色和音质还可以保持基本完整,因此该音频格式文件在计算机、网络和各种电子设备上都得到了广泛运用。
    由于MP3音频解码相对比较复杂,为了达到在控制成本的范围内实现快速解码的要求,提出了在SoC上通过增加矩阵乘法器运行快速的两个16点DCT算法,进一步提高MP3解码速度的可行性方案。

1 MP3解码流程分析
   
MP3解码的流程如图1所示,解码的主要过程包括同步处理、解帧头、解边带信息、解比例因子、Huffman解码、逆量化、频率线重排序、立体声处理、混叠重建、改进离散余弦逆变换(IMDCT)、频率倒置处理、子代综合滤波,最后输出原始的PCM数据。


    在这些过程中由于IMDCT和子带综合滤波的算法比较复杂,占用硬件资源较多,处理时间长,因此功耗所占比例相应较高。表1是在DSP平台上成功移植后,对代码进行耗时分析的结果。
    根据表1可知,子带综合滤波占了整个解码时间的60 %以上,是决定解码速度的最关键模块;其次是长块IMDCT运算,占了整个解码时间的10%以上。若采用MPEG-1建议的算法流程,数值计算主要集中在子带综合滤波上。以两声道48 kHz采样率为例,乘法运算量为(48 000/32)×(64×32+512)×2=7 680 000次/s。因此,子带综合滤波是MP3解码器的优化重点,减少子带综合滤波的计算量和计算时间是MP3解码器实现的核心。



2 子带综合滤波分析
   
子带综合滤波是MP3解码的最后一部分,也是解码过程中最为耗时的关键步骤。它负责从IMDCT的输出值中把PCM值还原出来,可以分成5个步骤。首先是Matrixing(矩阵)运算,即,2,…,63。由公式可知,它从32个子带Sk的每个子带中取出一个值组成32个值送入一个矩阵中进行运算,然后把输出Vi的64个结果放入一个1 024的先入先出(FIFO)缓存中,再从1 024值中取出一半,组成一个512矢量Ui,并对这512矢量进行加窗运算,即Wi=UiDi,i=1,2,…,511,加窗系数Di由MP3官方协议AnnexB Table3-B.3提供。最后将加窗结果Wi进行叠加生成32个时域PCM输出。
    1次矩阵运算乘法和加法运算过程分别为1 024次和992次,完成1个声道的解码需要18次矩阵运算。矩阵运算是子带综合滤波的关键步骤。实际上,Konstantinos Konstantinides提出的方法,只需要做一些变化就可以通过32点DCT变换成矩阵运算。
2.1 32点快速DCT算法分析
   
快速DCT变换算法主要基于系数矩阵分裂方法,增加输入的预处理,使得乘法和加法计算量减半。32点的DCT变换到矩阵运算如图2所示。其中V(1×64)表示矩阵的输出,A,B都是长度为1×16的矢量,(A,B)表示32点DCT的输出。


    由于32点的DCT可以分解成2个16点的DCT变换,依次类推可以分解成8点的DCT变换,考虑到定点数字信号处理中的有限字长效应,实际只需分解1次,将32点DCT化成2个16点的DCT。简化子带滤波流程以及使用快速DCT变换后,子带综合滤波部分的运算量可以减少约60 %。
    由32点DCT分解为2个16点DCT过程推导如下: