作者：ADI公司信息娛樂系統(tǒng)架構(gòu)總監(jiān) David Katz

低延時時、實時聲學處理是許多嵌入式處理應用的關鍵因素，其中包括語音預處理、語音識別和主動降噪（ANC）。隨著這些應用領域?qū)崟r性能的要求穩(wěn)步提高，開發(fā)人員需要以戰(zhàn)略思維來妥善應對這些要求。由于許多大型系統(tǒng)都由芯片提供可觀的性能，因此我們往往會將出現(xiàn)的任何額外任務都加載到這些設備上，但我們需要知道，延時時和其確定性是非常關鍵的因素，如果未仔細考慮，很容易引發(fā)重大的實時系統(tǒng)問題。本文將探討設計人員在選擇SoC和專用音頻DSP時應考慮的問題，以避免實時聲學系統(tǒng)出現(xiàn)令人不快的意外。

低延時聲學系統(tǒng)的應用非常廣泛。例如，單單是在汽車領域，低延時對于個人音頻區(qū)域、路噪降噪和車內(nèi)通訊系統(tǒng)等都至關重要。

隨著汽車電氣化趨勢涌現(xiàn)，路噪降噪變得更加重要，因為沒有內(nèi)燃機產(chǎn)生明顯噪音。所以，與汽車道路接觸相關的噪音會變得更明顯、更擾人。減少這種噪音不僅能帶來更舒適的駕駛體驗，還能減少駕駛員疲勞感。與在專用音頻DSP上部署低延時時聲學系統(tǒng)相比，在SoC上部署會面臨諸多挑戰(zhàn)。這些問題包括延時時、可擴展性、可升級性、算法考量、硬件加速和客戶支持。我們來逐一進行介紹。

延時

在實時聲學處理系統(tǒng)中，延時問題非常重要。如果處理器跟不上系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)搬運和計算需求，會導致不可接受的音頻斷續(xù)。

一般來說，SoC會配備小型片內(nèi)SRAM，因此，大部分本地存儲器訪問必須依賴緩存。這導致代碼和數(shù)據(jù)的使用具有不確定性，還會增大處理延時。對于ANC這樣的實時應用來說，單是這一點就無法接受。但是，事實上，SoC也會運行管理繁重的多任務非實時操作系統(tǒng)。這會放大系統(tǒng)的不確定性操作特性，使其很難在多任務環(huán)境中支持相對復雜的聲學處理。

圖1顯示了一個運行實時音頻處理負載的SoC的具體示例，在處理更高優(yōu)先級的SoC任務時，CPU負載出現(xiàn)峰值。例如，在執(zhí)行以SoC為中心的任務時，包括在系統(tǒng)上進行媒體渲染、瀏覽或執(zhí)行應用，可能會出現(xiàn)這些峰值。當峰值超過100% CPU負載時，SoC將不再實時運行，這會導致音頻丟失。

圖1.除了運行其他任務外，運行高音頻負載處理的典型SoC的瞬時CPU負載。1

另一方面，音頻DSP的架構(gòu)是為了在整個信號處理路徑（從采樣音頻輸入到處理（例如，音效+噪聲抑制）到揚聲器輸出）中實現(xiàn)低延時。L1指令和數(shù)據(jù)SRAM是最接近處理器內(nèi)核的單周期存儲器，足以支持多個處理算法，無需將中間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到片外存儲器。此外，片內(nèi)L2存儲器（離內(nèi)核較遠，但訪問速度仍然比片外DRAM快得多）可以在L1 SRAM的存儲容量不夠時，提供中間數(shù)據(jù)操作緩存。最后，音頻DSP通常運行實時操作系統(tǒng)（RTOS），確保可以在新輸入數(shù)據(jù)到達之前完成輸入數(shù)據(jù)處理并將其搬移到目標位置，從而確保數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在實時操作期間不會上溢。

系統(tǒng)啟動時的實際延時時（通常通過啟動發(fā)聲來表征）也是重要指標，尤其是對于汽車系統(tǒng)，它要求在啟動后的某個窗口內(nèi)播報提示音。在SoC領域，通常采用很長的啟動時序，其中包括啟動整個設備的操作系統(tǒng)，所以很難或無法滿足這個啟動要求。另一方面，可以對運行自己的RTOS、不受其他無關的系統(tǒng)優(yōu)先級影響的獨立式音頻DSP實施優(yōu)化，以加快其啟動速度，從而滿足啟動發(fā)聲要求。

可擴展性

雖然在諸如噪聲控制等應用中，對于SoC來說，延時是個問題，但對于想要執(zhí)行聲學處理的SoC來說，可擴展性是另一個缺點。換句話說，控制具有許多不同子系統(tǒng)的大型系統(tǒng)（例如汽車多媒體主機和儀表盤）的SoC無法輕易從低端擴展到滿足高端音頻需求，這是因為每個子系統(tǒng)組件的可擴展性需求之間始終存在沖突，需要在整體SoC利用率方面進行權(quán)衡。例如，如果前端SoC連接到遠端收音模組，并且適配多種車型，那么該收音模組需要從幾個通道擴展到多個通道，而每個通道都會加劇之前提到的實時問題。這是因為SoC控制下的每個附加特性都會改變SoC的實時行為，以及多個功能所使用的關鍵架構(gòu)組件的資源可用性。這些資源包括存儲器帶寬、處理器內(nèi)核周期和系統(tǒng)總線結(jié)構(gòu)仲裁槽等方面。

除了有關連接到多任務SoC的其他子系統(tǒng)的問題外，聲學系統(tǒng)本身也存在擴展性問題。其中涉及低端到高端的擴展（例如，增加ANC應用中麥克風和揚聲器通道的數(shù)量），也涉及音頻體驗擴展，從基本的音頻解碼和立體聲播放一直到3D虛擬化和其他高級功能。雖然這些要求不具有ANC系統(tǒng)的實時限制，但它們與系統(tǒng)音頻處理器的選擇直接相關。

使用一個單獨的音頻DSP作為SoC的協(xié)處理器是解決音頻可擴展性問題的極佳解決方案，可以實現(xiàn)模塊化的系統(tǒng)設計和成本優(yōu)化的解決方案。SoC可以減少對大型系統(tǒng)實時聲學處理需求的關注，將這種處理需求轉(zhuǎn)移到低延時音頻DSP上進行。此外，音頻DSP提供代碼兼容和引腳兼容選項，涵蓋幾種不同的價格/性能/存儲容量等級，讓系統(tǒng)設計人員能夠最大限度地靈活選擇適合給定產(chǎn)品層級的音頻性能產(chǎn)品。

圖2. ADSP-2156x DSP，高度可擴展的音頻處理器

可升級性

隨著如今的汽車越來越普遍地采用OTA，通過發(fā)布關鍵補丁或提供新功能進行升級變得越來越重要。由于其各個子系統(tǒng)之間的依賴性增加，這可能會導致SoC的關鍵問題。首先，多個處理和數(shù)據(jù)移動線程會在SoC上爭奪資源。在添加新功能時，尤其是在處于活動高峰期間時，這會加劇處理器MIPS和存儲空間的競爭。從音頻的角度來看，其他SoC控制域中的新增特性可能會對實時聲學性能產(chǎn)生無法預測的影響。這種情況帶來的一個負面影響是：新功能必須在所有操作平面上進行交叉測試，導致彼此競爭的子系統(tǒng)的各種操作模式之間出現(xiàn)無數(shù)排列組合。所以，每個升級包的軟件驗證次數(shù)都會成倍增加。

從另一個角度來看，可以說除了受SoC控制的其他子系統(tǒng)的功能圖譜外，SoC音頻性能的改善還取決于可用的SoC MIPS。

算法開發(fā)與性能

顯然，在開發(fā)實時聲學算法時，音頻DSP旨在達成任務目標。與SoC的顯著區(qū)別在于，獨立音頻DSP可以提供圖形化開發(fā)環(huán)境，讓缺乏DSP編碼經(jīng)驗的工程師能夠在其設計中集成高質(zhì)量的聲學處理。這種類型的工具可以在不犧牲質(zhì)量和性能的情況下通過縮短開發(fā)時間來降低開發(fā)成本。

例如，ADI的SigmaStudio?圖形音頻開發(fā)環(huán)境提供多種集成至直觀的圖形用戶界面（GUI）的信號處理算法，從而能夠創(chuàng)建復雜的音頻信號流。它還支持采用圖形A2B配置進行音頻傳輸，非常有助于加快實時聲學系統(tǒng)開發(fā)。

音頻輔助硬件特性

除了專為高效并行浮點計算和數(shù)據(jù)訪問而設計的處理器內(nèi)核架構(gòu)外，音頻DSP通常還采用專用的多通道加速器來運行通用算法，例如快速傅立葉變換（FFT）、有限和無限脈沖響應（FIR和IIR）濾波，以及異步采樣速率轉(zhuǎn)換（ASRC）。這樣允許在內(nèi)核CPU之外進行實時音頻濾波、采樣和頻域轉(zhuǎn)換，從而提高內(nèi)核的有效性能。此外，由于它們采用優(yōu)化的架構(gòu)，提供數(shù)據(jù)流管理功能，所以有助于構(gòu)建靈活且方便用戶使用的編程模型。

由于音頻通道數(shù)量、濾波器流、采樣速率等增加，我們需要使用配置程度最高的引腳接口，以支持在線采樣速率轉(zhuǎn)換、精密時鐘和同步高速串行端口來高效的路由數(shù)據(jù)，避免導致延時或外部接口邏輯增加。ADI公司的SHARC?系列處理器的數(shù)字音頻互連口（DAI）就展現(xiàn)了這種能力，如圖4所示。

圖3. ADI公司的SigmaStudio圖形開發(fā)環(huán)境

圖4. 數(shù)字音頻互連（DAI）框圖

客戶支持

在使用嵌入式處理器進行開發(fā)時，我們常常會忽略一點，即客戶對設備的支持。

盡管SoC供應商提倡在他們的內(nèi)置DSP產(chǎn)品上運行聲學算法，但在實際使用時這會帶來一些負擔。一方面，供應商的支持通常更復雜，因為SoC應用開發(fā)領域一般不涉及聲學專業(yè)知識。因此，往往很難為想要基于SoC的片內(nèi)DSP技術開發(fā)自己的聲學算法的客戶提供支持。而是由供應商提供標準算法，并收取可觀的NRE費用，然后將聲學算法移植到SoC的一個或多個內(nèi)核中。即使如此，也無法保證一定能成功，在供應商無法提供成熟、低延時的框架軟件時更是如此。最后，適合基于SoC的聲學處理的第三方生態(tài)系統(tǒng)往往相當脆弱，因為這個領域不是SoC關注的重點。

顯然，專用音頻DSP可為開發(fā)復雜的聲學系統(tǒng)提供更強大的生態(tài)系統(tǒng)，從優(yōu)化的算法庫和設備驅(qū)動程序到實時操作系統(tǒng)和易于使用的開發(fā)工具。此外，有助于加快產(chǎn)品上市的以音頻為主的參考平臺（例如ADI的SHARC音頻模塊平臺，如圖5所示）對于SoC來說比較少見，但在獨立音頻DSP領域卻很常見。

圖5. SHARC音頻模塊（SAM）開發(fā)平臺

總之，很明顯，設計實時聲學系統(tǒng)需要細致、戰(zhàn)略性的規(guī)劃系統(tǒng)資源，不能單單通過在多任務SoC上分配處理裕量來進行管理。相反，針對低延時處理而優(yōu)化獨立的音頻DSP有望提高其耐用性，縮短開發(fā)時間，實現(xiàn)出色的可擴展性，以適應未來的系統(tǒng)需求和性能等級。

參考資料

1 Paul Beckmann。“多核SOC處理器：性能、分析和優(yōu)化。”2017年度AES國際汽車音頻大會，2017年8月。

作者簡介

David Katz在模擬、數(shù)字和嵌入式系統(tǒng)設計方面擁有30年的經(jīng)驗。他是ADI公司汽車信息娛樂系統(tǒng)架構(gòu)總監(jiān)。他在國際上已發(fā)表了將近100篇關于嵌入式處理的文章，并在該領域提交了數(shù)篇會議論文。加入ADI公司之前，他在摩托羅拉公司工作，擔任電纜調(diào)制解調(diào)器和工廠自動化部門的高級設計工程師。David擁有康奈爾大學電氣工程學士學位和工程碩士學位。