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)： 113070404 學(xué)號(hào)： 1307991008 姓名： 謝 歡 老師： 曹 陽 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(jì)了一種廉價(jià)基于DSP的MP3播放器，利用硬件存儲(chǔ)語音文件，并能夠從PC 機(jī)下載，從而可以隨時(shí)更新MP3音樂。該MP3播放器同時(shí)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(hào)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

2、實(shí)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(jià)格較昂貴，因此本文根據(jù)要求設(shè)計(jì)了一種廉價(jià)MP3播放器，利用硬件存儲(chǔ)語音文件，并能夠從PC 機(jī)下載，從而可隨時(shí)更新MP3音樂。該MP3播放器同時(shí)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(yùn)動(dòng)圖像專家組（Motion Picture Experts Group）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(hào)而設(shè)計(jì)的是一種新的音頻信號(hào)壓縮格式標(biāo)準(zhǔn)。它結(jié)合

3、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(shí)（大約12倍壓縮比），仍能保證高品質(zhì)的音響效果。現(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(shí)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(yīng)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

4、身聽的工作原理，其實(shí)很簡單，就是利用控制芯片（CPU），控制解碼芯片和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(jī)輸出。 MP3播放器利用數(shù)字信號(hào)處理器DSP（Digital Sign Processer）來完成處理傳輸和解碼MP3文件的任務(wù)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(dòng)。DSP能夠在非常短的時(shí)間里完成多種處理任務(wù)，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(chǔ)器上的信號(hào)到解碼芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器將解出來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)再把轉(zhuǎn)換后的模擬音頻放大低通

5、濾波后到耳機(jī)輸出口，輸出后就是我們所聽到的音樂了。 MP3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(chǔ)容量大，具有很好的通信音質(zhì)等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域中。 DSP實(shí)現(xiàn)的語音分析系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：音頻數(shù)據(jù)占用資源少；音質(zhì)通信級(jí)；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(diǎn)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

6、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(yīng)的并行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能在一個(gè)指令周期內(nèi)，高速地完成多項(xiàng)算術(shù)運(yùn)算。 CPU的基本組成如下：40位算術(shù)邏輯運(yùn)算單元（ALU）；2個(gè)40位累加器（ACCA，ACCB）；1個(gè)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(chǔ)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(chǔ)空間結(jié)構(gòu) TMS320C5416DSP芯片共有192千字的可尋址存儲(chǔ)空間。這192千字的存儲(chǔ)空間分為3個(gè)

7、獨(dú)立的可選擇空間，分別為：64千字的程序存儲(chǔ)空間；64千字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；64千字的I/O空間。所有的TMS320C5416DSP芯片都包括內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）和只讀存儲(chǔ)器（ROM）。內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)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(chǔ)空間用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也可以映射到程序空間用來存儲(chǔ)程序代碼。TMS320C5416DSP芯片的并行結(jié)構(gòu)和內(nèi)部隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM的雙尋址能力，可使CPU在任何一個(gè)給定的機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)執(zhí)行4次存儲(chǔ)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

8、了滿足數(shù)據(jù)處理的需要，TMS320C5416DSP芯片提供了必要的片內(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(shí)器；時(shí)鐘發(fā)生器；主機(jī)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(jì)數(shù)器（PC），硬件堆棧，PC相關(guān)的硬件，外部復(fù)位信號(hào)，中斷，狀態(tài)寄存器和循環(huán)計(jì)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(chǔ)器以及I/O設(shè)備相連，能對(duì)64K字的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，64K字的程序存儲(chǔ)空間，

9、以及64K字的I/O空間進(jìn)行尋址。獨(dú)立的空間選擇信號(hào)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(hào)（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(chǔ)器和I/O設(shè)備連接。接口的保護(hù)方式能使外設(shè)對(duì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)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(gè)周期內(nèi)對(duì)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(chǔ)器、中斷、串口、并口等豐富的資源，加上

10、高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)，使C5416具有很高的性價(jià)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(jì) 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(duì)存儲(chǔ)器容量的要求。 DSP芯片處理后的信號(hào)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(shí)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(xiàng)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 -1 層標(biāo)準(zhǔn)壓縮編

11、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(gè)數(shù)據(jù)幀組成，每幀中的音頻數(shù)據(jù)含有1152個(gè)原始音頻信號(hào)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(yàn)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(jì)算音頻數(shù)據(jù)量化比例因子的信息

12、。 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(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(duì)頭信息的解析進(jìn)而得到實(shí)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(duì)樣本進(jìn)行解碼，然后對(duì)解碼樣本順序進(jìn)行倒置，如果塊類型(BlockSp lit_ type)和標(biāo)志類型( Flag_typ)都為1時(shí)，對(duì)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(duì)反

13、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(hào)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Layer III碼流如圖4所示：圖4由于幀內(nèi)比特?cái)?shù)幀的大小×位率/采樣率，而對(duì)于Layer III每幀有1152個(gè)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115

14、2×320k/(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(hào)的局部統(tǒng)計(jì)特性選用不同的霍夫曼碼表。（總共32個(gè)可能的表）由于對(duì)領(lǐng)域量化值進(jìn)行編碼，故把從零到奈奎斯特頻率整個(gè)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(gè)部分，對(duì)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(gè)量化值轉(zhuǎn)換為一個(gè)霍夫曼碼字，而小值區(qū)每四個(gè)量化值轉(zhuǎn)換為一個(gè)霍夫曼碼字。非均勻反量化對(duì)于不同的塊類型采用不同的反量化方式。每幀有兩個(gè)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(duì)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(gè)整數(shù)

15、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(duì)值都處于0到255之間，所以把整個(gè)0到8191的區(qū)間分成四個(gè)不同的小區(qū)間，每個(gè)區(qū)間采用不同的定點(diǎn)數(shù)據(jù)格式，從而有效地提高了各個(gè)段內(nèi)的比特利用率。混迭信號(hào)的消除對(duì)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(jìn)行混疊信號(hào)的消除。Layer III的混迭信號(hào)消除采用與FFT類似的蝶形結(jié)構(gòu)，若充分利用DSP為計(jì)算FFT而專門設(shè)計(jì)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(hào)便要進(jìn)行IMDCT變換。長塊進(jìn)行18點(diǎn)到36點(diǎn)的IMDCT變換，短塊進(jìn)行三個(gè)6點(diǎn)到12點(diǎn)的IMDCT

16、變換，再將這三個(gè)長為12的輸出矢量進(jìn)行疊加，生成一個(gè)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(gè)等頻帶寬內(nèi)的頻域信號(hào)反變換成時(shí)域信號(hào)，是由初始化、IMDCT、采樣值加窗和32個(gè)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(gè)通道中的32個(gè)子帶的樣值，經(jīng)過IMDCT變換后，32個(gè)樣值會(huì)生成64個(gè)中間值。將這64個(gè)中間值輸入到一個(gè)長為1024的先進(jìn)先出緩存，再構(gòu)成一個(gè)512的矢量，進(jìn)行加窗運(yùn)算。窗的系數(shù)是由ISO/IEC MPEG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(gè)時(shí)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