基于DSP技術(shù)的MP3播放器

論文題目:基于DSP技術(shù)的MP3播放器專業(yè)：學(xué)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(jī)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(jìn)的智能控制技術(shù)，利用先進(jìn)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(jī)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MPEGAudioLayer3，是MPEG-1/2(音頻壓縮)音頻layerIII的簡稱，MPEG壓縮格式是由運(yùn)動圖像專家組（MotionPictureExpertsGroup）制定的關(guān)于影像和聲音的一組標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)。它結(jié)合了MUSICAM（掩蔽型通用子帶綜合編碼和復(fù)用）算法和ASPEC（自適應(yīng)譜分析聽覺熵編碼）算法兩者的優(yōu)勢，算法最為復(fù)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，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(fù)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(qiáng)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(jìn)行尋址。獨立的空間選擇信號DS，PS和IS允許進(jìn)行物理上分開的空間選擇。接口的外部數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(hù)方式能使外設(shè)對TMS320C5416DSP芯片的外部總線進(jìn)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(yùn)算,采用了流水線指令結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的并行處理結(jié)構(gòu),可在一個周期內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。C5416采用先進(jìn)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)廣泛應(yīng)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(kuò)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(yīng)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(jī)，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(yùn)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-1Ⅲ層標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼格式。遵循MP3標(biāo)準(zhǔn)的音樂具有很高的壓縮率和較高的保真度，其壓縮比可達(dá)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(fù)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(biāo)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?？s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?；舴蚵幋a數(shù)據(jù)：音頻位流的一部分，它包含每幀中所有原始音頻采樣數(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LayerⅢ采用了較復(fù)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(yīng)參數(shù)，根據(jù)對頭信息的解析進(jìn)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(jìn)行解碼，然后對解碼樣本順序進(jìn)行倒置，如果塊類型(BlockSplit_type)和標(biāo)志類型(Flag_typ)都為1時，對樣本進(jìn)行重新排序，根據(jù)邊信息中霍夫曼碼本的選擇信息進(jìn)行霍夫曼解碼，然后進(jìn)行反量化，根據(jù)幀頭的立體聲信息，對反量化結(jié)果進(jìn)行立體聲處理。最后通過混迭處理、IMDCT和合成濾波器重建數(shù)字音頻信號圖3頭信息的讀取及相應(yīng)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(fù)雜的比特流結(jié)構(gòu)。當(dāng)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(dá)511，典型的LayerIII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LayerIII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(dá)到1152×320k/(32k*8)＝1440B。讀取比例因子、霍夫曼碼字并進(jìn)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(jìn)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?；斓盘柕南龑τ陂L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(jìn)行混疊信號的消除。LayerIII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(yùn)算量。IMDCT(反離散余弦變換)經(jīng)過混迭消除后的信號便要進(jìn)行IMDCT變換。長塊進(jìn)行18點到36點的IMDCT變換，短塊進(jìn)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(jìn)行疊加，生成一個長為36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(jìn)先出緩存，再構(gòu)成一個512的矢量，進(jìn)行加窗運(yùn)算。窗的系數(shù)是由ISO/IECMPEG標(biāo)準(zhǔn)中的合成窗系數(shù)表格提供的。最后將加窗結(jié)果進(jìn)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，音樂文件先從慢速外存下載至高速外存再載入DSP的高速RAM，下載一部分處理一部分。采用與PC機(jī)的串口通信方式實現(xiàn)文件的下載速度較慢，也可利用USB接