基于DSP技術(shù)的MP3播放器

1、論文題目:基于DSP技術(shù)的MP3播放器 專業(yè)： 學號： 姓名： 老師： 成績： 基于DSP技術(shù)的MP3播放器摘要：隨著數(shù)字編解碼及壓縮技術(shù)的發(fā)展，語音文件也朝著高壓縮比、高保真的方向發(fā)展，從MP1、MP2到目前的MP3格式。本文設(shè)計了一種廉價基于DSP的MP3播放器，利用硬件存儲語音文件，并能夠從PC 機下載，從而可以隨時更新MP3音樂。該MP3播放器同時附加了文本閱讀的功能，可做到語音和文本的同步輸出。 關(guān)鍵詞： MP3播放器 DSP 編碼 前言 現(xiàn)在市場上推出了各種型號的MP3隨身聽，它們采用先進的智能控制技術(shù)，利用先進的芯片，不僅實現(xiàn)了MP3格式語音的播放，而且集多種功能于一身。但這些精

2、巧的隨身聽價格較昂貴，因此本文根據(jù)要求設(shè)計了一種廉價MP3播放器，利用硬件存儲語音文件，并能夠從PC 機下載，從而可隨時更新MP3音樂。該MP3播放器同時附加了文本閱讀的功能，可做到語音和文本的同步輸出。 MP3播放器的工作原理 MP3全稱是MPEG Audio Layer 3，是MPEG-1/2(音頻壓縮)音頻layer III的簡稱，MPEG壓縮格式是由運動圖像專家組（Motion Picture Experts Group）制定的關(guān)于影像和聲音的一組標準，其中MP3就是為了壓縮聲音信號而設(shè)計的是一種新的音頻信號壓縮格式標準。它結(jié)合了MUSICAM（掩蔽型通用子帶綜合編碼和復用）算法和AS

3、PEC（自適應譜分析聽覺熵編碼）算法兩者的優(yōu)勢，算法最為復雜，但它的壓縮比最大。在采用64kpbs/聲道的碼率時（大約12倍壓縮比），仍能保證高品質(zhì)的音響效果?，F(xiàn)在非常流行MP3隨身聽，通過與PC的數(shù)據(jù)接口，可從PC上下載MP3源文件，并具有隨時更新歌曲的能力。CD唱片采樣率頻率為44.1MHz, 16Bits, 數(shù)據(jù)量為1.4Mbps，而相應的MP3數(shù)據(jù)量僅為112kbps或128kbps，是原始數(shù)據(jù)量的1/12。也就是說傳統(tǒng)的一張CD現(xiàn)在可以存放10倍甚至更多容量的音樂，但是在人耳聽起來, 感受到的音樂效果卻沒有什么不同。 MP3隨身聽的工作原理，其實很簡單，就是利用控制芯片（CPU），控

4、制解碼芯片和LCD液晶屏，由解碼芯片把內(nèi)置閃存或是外插閃存卡之中的MP3文件或WMA格式文件解碼，然后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后從耳機輸出。 MP3播放器利用數(shù)字信號處理器DSP（Digital Sign Processer）來完成處理傳輸和解碼MP3文件的任務的。DSP掌管隨身聽的數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)備接口控制，文件解碼回放等活動。DSP能夠在非常短的時間里完成多種處理任務，而且此過程所消耗的能量極少。 首先將MP3歌曲文件從內(nèi)存中取出并讀取存儲器上的信號到解碼芯片對信號進行解碼通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將解出來的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號再把轉(zhuǎn)換后的模擬音頻放大低通濾波后到耳機輸出口，輸出后就是我們所聽到的音樂了。 MP3

5、播放器系統(tǒng)構(gòu)成結(jié)構(gòu)由圖1所示 DSP處理速度快，功耗低，性能好，基于TMS320C5416DSP芯片的語音存儲容量大，具有很好的通信音質(zhì)等特點，因此被廣泛應用于很多領(lǐng)域中。 DSP實現(xiàn)的語音分析系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：音頻數(shù)據(jù)占用資源少；音質(zhì)通信級；開發(fā)難度低；語音芯片與DSP接口電路簡單；體積小。C5416DSP芯片的總線結(jié)構(gòu)DSP芯片的基本特點是采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，C5416DSP芯片的結(jié)構(gòu)是以8組16位總線為核心，形成了支持高速指令執(zhí)行的硬件基礎(chǔ)。8組總線分為1組程序總線，3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線。 C5416DSP芯片的中央處理器 中央處理器CPU是DSP器件的核心部件，它的性能直接關(guān)系到

6、DSP器件的性能。為了滿足處理速度的要求，TMS320C5416DSP芯片的CPU采用了流水線指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)和相應的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其能在一個指令周期內(nèi)，高速地完成多項算術(shù)運算。 CPU的基本組成如下：40位算術(shù)邏輯運算單元（ALU）；2個40位累加器（ACCA，ACCB）；1個支持1630位移位的桶形移位寄存器；乘法器加法器單元（MAC）；比較選擇和存儲單元（CSSU）；指數(shù)編碼器；CPU狀態(tài)和控制寄存器。 C5416DSP芯片的存儲空間結(jié)構(gòu) TMS320C5416DSP芯片共有192千字的可尋址存儲空間。這192千字的存儲空間分為3個獨立的可選擇空間，分別為：64千字的程序存儲空間；64千字

7、的數(shù)據(jù)存儲空間；64千字的I/O空間。所有的TMS320C5416DSP芯片都包括內(nèi)部隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。內(nèi)部隨機存儲器RAM又分為單尋址RAM（SARAM）和雙尋址RAM(DARAM)兩種類型。 通常，SARAM和DARAM被映射到數(shù)據(jù)存儲空間用來存儲數(shù)據(jù)，也可以映射到程序空間用來存儲程序代碼。TMS320C5416DSP芯片的并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部隨機存儲器RAM的雙尋址能力，可使CPU在任何一個給定的機器周期內(nèi)同時執(zhí)行4次存儲器操作，包括1次取指，2次讀操作數(shù)和1次寫操作數(shù)。 C5416DSP芯片的片內(nèi)外設(shè)電路 為了滿足數(shù)據(jù)處理的需要，TMS320C5416DSP芯片提供

8、了必要的片內(nèi)外部設(shè)備。這些外部設(shè)備主要包括：通用I/O引腳；定時器；時鐘發(fā)生器；主機接口HPI；串行通信接口；軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器；可編程分區(qū)轉(zhuǎn)換邏輯。 C5416DSP芯片的系統(tǒng)控制 TMS320C5416DSP芯片的系統(tǒng)控制是由程序計數(shù)器（PC），硬件堆棧，PC相關(guān)的硬件，外部復位信號，中斷，狀態(tài)寄存器和循環(huán)計數(shù)器（RC）等組成的。 TMS320C5416DSP芯片的外部總線 TMS320C5416DSP芯片的外部總線具有很強的系統(tǒng)接口能力，可與外 部存儲器以及I/O設(shè)備相連，能對64K字的數(shù)據(jù)存儲空間，64K字的程序存儲空間，以及64K字的I/O空間進行尋址。獨立的空間選擇信號DS，

9、PS和IS允許進行物理上分開的空間選擇。接口的外部數(shù)據(jù)準備輸入信號（READY）與片內(nèi)軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器一道，可以使處理器與各種不同速度的存儲器和I/O設(shè)備連接。接口的保護方式能使外設(shè)對TMS320C5416DSP芯片的外部總線進行控制，使外部設(shè)備可以訪問程序，數(shù)據(jù)和I/O空間的資源。 C5416DSP芯片是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器,為了快速實現(xiàn)數(shù)字信號處理運算,采用了流水線指令結(jié)構(gòu)和相應的并行處理結(jié)構(gòu),可在一個周期內(nèi)對數(shù)據(jù)進行高速的算術(shù)運算和邏輯運算。C5416采用先進的哈佛結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)存儲器、中斷、串口、并口等豐富的資源，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使C5416具有很高的性價比，已經(jīng)廣

10、泛應用于通信、語音處理、圖像處理、儀器儀表等無線電通信系統(tǒng)中。DSP、MPU硬件設(shè)計 DSP擴展了一片64K字高速靜態(tài)RAM(CY7C1021V33-10)，作為DSP芯片的片外RAM，用以適應各種音頻處理算法對存儲器容量的要求。 DSP芯片處理后的信號由D/A輸出到耳機，我們就可聽到MP3音樂。D/A變換由LM4545實現(xiàn)，它具有48K字轉(zhuǎn)換速度，可直接和DSP芯片的輸出相連。 而MPU主要完成三項功能，分別是LCD顯示，控制DSP芯片的運行和文件的串口下載。MP3是目前世界上最流行的音頻格式之一，其采用了MPEG -1 層標準壓縮編碼格式。遵循MP3標準的音樂具有很高的壓縮率和較高的保真度

11、，其壓縮比可達1：10 12，即1分鐘CD音質(zhì)的音樂經(jīng)過MP3壓縮編碼后，可以壓縮到1兆左右而基本保持不失真。MP3的壓縮率很高，失真也較小，但它的算法也較為復雜。MP3文件的內(nèi)容是音頻位流數(shù)據(jù)文件，它由若干個數(shù)據(jù)幀組成，每幀中的音頻數(shù)據(jù)含有1152個原始音頻信號的采樣信息，并且經(jīng)過霍夫曼編碼形成。數(shù)據(jù)幀的其它內(nèi)容分別為： 頭標信息：音頻位流的一部分，它包含同步和狀態(tài)信息。校驗字:音頻位流的一部分，它包輔助信息：音頻位流的一部分，它包含每幀中可用于解碼的相關(guān)信息。 縮放因子信息：音頻位流的一部分，它包含用于計算音頻數(shù)據(jù)量化比例因子的信息。 霍夫曼編碼數(shù)據(jù)：音頻位流的一部分，它包含每幀中所有原始

12、音頻采樣數(shù)據(jù)的霍夫曼編碼。 附加數(shù)據(jù)：音頻位流的一部分，它可包含一系列用戶定義的輔助數(shù)據(jù)。圖2 解碼流程Layer采用了較復雜的比特流結(jié)構(gòu)。解碼程序的流程圖如圖3所示。首先獲得每一幀的同步字，取得頭信息，從而獲得各相應參數(shù)，根據(jù)對頭信息的解析進而得到實際的一幀音頻數(shù)據(jù)。讀取主數(shù)據(jù)獲得比例因子數(shù)據(jù)，對樣本進行解碼，然后對解碼樣本順序進行倒置，如果塊類型(BlockSp lit_ type)和標志類型( Flag_typ)都為1時，對樣本進行重新排序，根據(jù)邊信息中霍夫曼碼本的選擇信息進行霍夫曼解碼，然后進行反量化，根據(jù)幀頭的立體聲信息，對反量化結(jié)果進行立體聲處理。最后通過混迭處理、IMDCT和合成

13、濾波器重建數(shù)字音頻信號圖3頭信息的讀取及相應處理由于MP3為了獲取更高的數(shù)據(jù)壓縮比，采用了較為復雜的比特流結(jié)構(gòu)。當然處理幀的主數(shù)據(jù)（包含縮放因子和霍夫曼碼字）起始位置一般不在該幀邊信息后，而是根據(jù)邊信息中參數(shù)值決定主數(shù)據(jù)起始位置的前移字節(jié)數(shù)。由于該值為9bit，其最大值可達511，典型的Layer III碼流如圖4所示：圖4由于幀內(nèi)比特數(shù)幀的大小×位率/采樣率，而對于Layer III每幀有1152個采樣，采樣率有44.1KHz，48KHz，32KHz三種，碼率可從32kps到320kbps不等。故而一幀內(nèi)最大字節(jié)數(shù)達到1152×320k/(32k*8)1440B。讀取比例

14、因子、霍夫曼碼字并進行霍夫曼解碼根據(jù)最大的量化值和信號的局部統(tǒng)計特性選用不同的霍夫曼碼表。（總共32個可能的表）由于對領(lǐng)域量化值進行編碼，故把從零到奈奎斯特頻率整個頻率范圍上的量化值分為大值區(qū)、小值區(qū)和零值區(qū)三個部分，對于大值區(qū)和小值區(qū)采用不同的編碼策略，大值區(qū)每兩個量化值轉(zhuǎn)換為一個霍夫曼碼字，而小值區(qū)每四個量化值轉(zhuǎn)換為一個霍夫曼碼字。非均勻反量化對于不同的塊類型采用不同的反量化方式。每幀有兩個粒度組組成，根據(jù)幀首邊信息,粒度組有純長度組、純短塊組、混合組三種類型。對于長塊和短塊作用了不同的反量化方式。由于在反量化過程中涉及到求一個整數(shù)的3/4次方的操作，結(jié)合霍夫曼解碼的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)大量的霍夫曼

15、解碼絕對值都處于0到255之間，所以把整個0到8191的區(qū)間分成四個不同的小區(qū)間，每個區(qū)間采用不同的定點數(shù)據(jù)格式，從而有效地提高了各個段內(nèi)的比特利用率。混迭信號的消除對于長塊和特殊的短塊，合成濾波器組的輸入在做IMDCT(反離散余弦變換)處理之前要進行混疊信號的消除。Layer III的混迭信號消除采用與FFT類似的蝶形結(jié)構(gòu)，若充分利用DSP為計算FFT而專門設(shè)計的指令，可以大大減少運算量。IMDCT(反離散余弦變換)經(jīng)過混迭消除后的信號便要進行IMDCT變換。長塊進行18點到36點的IMDCT變換，短塊進行三個6點到12點的IMDCT變換，再將這三個長為12的輸出矢量進行疊加，生成一個長為3

16、6的最終變換結(jié)果。子帶合成濾波器子帶合成濾波器將32個等頻帶寬內(nèi)的頻域信號反變換成時域信號，是由初始化、IMDCT、采樣值加窗和32個樣值疊加輸出等部分組成。子帶合成濾波器接收到的是經(jīng)過霍夫曼解碼、反量化、混迭消除及IMDCT變換的一個通道中的32個子帶的樣值，經(jīng)過IMDCT變換后，32個樣值會生成64個中間值。將這64個中間值輸入到一個長為1024的先進先出緩存，再構(gòu)成一個512的矢量，進行加窗運算。窗的系數(shù)是由ISO/IEC MPEG標準中的合成窗系數(shù)表格提供的。最后將加窗結(jié)果進行疊加生成32個時域輸出結(jié)語 該MP3播放器基于DSP技術(shù)，采用慢速大容量外存加高速小容量外存的組合方式，音樂文