【正文】 從 ASPEC（ Audio Spectral Perceptual Encoding）和 OCF（ Optimal Coding In The Frequency domain）導(dǎo)出的算法。整個過程包含了某種程度的同步，前面的步驟并不必須按順序進行 [19]。其中的第二步，并不丟棄數(shù)據(jù)，它僅僅使用更小的空間存儲剩余的數(shù)據(jù)。把每一幀的頻率分布于人類心理聲學(xué)的數(shù)學(xué)模板進行比較（數(shù)學(xué)模板作為一個索引表存儲在編 /解碼器中），從這些模板中就可以決定，哪些頻率應(yīng)該準確的渲染表現(xiàn)出來，那些頻率可以丟棄或者分配較少的 bit。因為頻率光譜的不同部分使用相同的算法，經(jīng)過輕微的變換，可以進行高效編碼，這一步將信號分解為子帶（ subbands），子帶可以獨立的進行處理以產(chǎn)生最優(yōu)的效果（注意所有的 子帶都使用相同的算法，不同只是因為使用的編碼器不同造成的其分配的比特流大小不同而已）。編碼器就可以丟棄大部分不匹配的數(shù)據(jù)。 MP3 使用兩種技術(shù)獲得好的壓縮比：一種有損壓縮， 一種 無損壓縮。在某些編碼中，這些幀可以互相影響。 音頻編碼方法歸納起來可分三大類：波形編碼、參數(shù)編碼、混合編碼。最簡單的編碼方式是二進制編碼。其中采樣輸入信號幅度和量化輸出數(shù)據(jù)之間一般定義了兩種關(guān)系，一種成為 u 律壓縮算法，另一種成為 A 律壓縮算法。 均勻量化就是采用相等的量化間隔進行采樣 ，也 稱為 線性量化。量化位數(shù)越多，量化值越接近于采樣值，其凈度越高，但要求的信息存儲量就越大。所有的采樣值可能出現(xiàn)的范圍被劃分成有限多個量化階的集合，把凡是落入某個量化階內(nèi)的采樣值都賦予相同的值，即量化值。 ? ? ? ? 2 fnTx f T x nt ?? ?? ? （ 21） 因此，可由離散信號 ? ?xnT 完全確定頻譜 ??xt ，如公式 （ 22） 所示。一般的采樣是按照均勻的時間間隔進行的。 數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于采樣頻率和量化位數(shù)。 采樣是指 用每隔一定時間間隔的信號樣本值序列來代替原來的時間上連續(xù)的信號； 量化是用有限個幅度 近似 表示原來的時間上連續(xù)變化的幅 度值，把模擬信號的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定時間間隔的離散值； 編碼則是按照一定的規(guī)律，把量化后的離散值用二進制數(shù)碼表示。這樣一段聲波就可以被數(shù)字化后變成一串?dāng)?shù)值，每個數(shù)值對應(yīng)相應(yīng)抽樣點的振幅值，按順序?qū)⑦@些數(shù)字排列起來就是數(shù)字音頻信號了。我們知道聲音的本質(zhì)是波，人們能聽到的聲音頻率在 20Hz 到 20kHz 之間， 稱為 聲波。這里需要遵循幾個規(guī)范： USB 通信協(xié)議、大容量移動存儲器規(guī)范和 SCSI 協(xié)議 [1315]。數(shù)據(jù)的存儲是要有一定格式的，眾所周知， PC 管理磁盤數(shù)據(jù)是以文件形式， MP3 亦不例外，最常用的辦法就是直接利用 PC 的文件系統(tǒng)來管理存儲器，微軟操作系統(tǒng)采用的是 FAT 文件系統(tǒng)，這也是最廣泛使用的一種 [12]。解碼器是芯片中的一個硬件模塊，或者說是硬件解碼（有的MP3 播放機是軟件解碼，由高速中央處理器完成）。 2 MP3 的編解碼 過程 MP3 的工作原理 一個完整 MP3 播放器要分幾個部分：中央處理器、解碼器、存儲設(shè)備、主機通訊端口、音頻 D/A 和功放、顯示界面和控制鍵、其中中央處理器和解碼器是整個系統(tǒng)地核心。存儲器可以是 Flash 存儲器或硬盤。本文提出了一種基于 單片機 的 MP3 播放器的設(shè)計方案，這就進一步的體現(xiàn)了該設(shè)計的靈活性。 MP3 是一種典型的嵌入式設(shè)備，而現(xiàn)在市場上比較常見的是閃存式 MP3。MP3 的解碼器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到大量的數(shù)學(xué)計算，對處理器與內(nèi)存的要求相當(dāng)高。MPEG1 分為三種不同的方式， 稱 為 Layer Layer2 和 Layer3?；趩纹瑱C的 MP3播放器設(shè)計 1 音頻信號數(shù)字化后所面臨的一個不容忽視的問題是：巨大的數(shù)據(jù)量給存儲和傳輸帶來的壓力。序號越高，復(fù)雜性越大，但是可 提供更好的編碼效率，特別是在低比特率時。目前，AT89C51 處理器以其高性價比，豐富的外設(shè)資源，越來越受到各種嵌入式研發(fā)人員的青睞 [57]。由于閃 存式 MP3 的容量限制，使它存儲歌曲數(shù)目較少，在功能上也很難實現(xiàn)多樣化。目前該設(shè)計方案已經(jīng)實現(xiàn)，實踐證明，此播放器擁有市面 MP3 所有的全部功能并能夠很好的運行。通過用 MP3 編碼技術(shù)，可以得到大約 12： 1 壓縮的有損音樂信 號。這里的中央處理器我們通常成為 MCU（單片微處理器），簡稱單片機。它可以直接完成各種格式 MP3 數(shù)據(jù)流的解碼操作，并輸出 PCM 或 I2S 格式的數(shù)字音頻信號 [10]。播放機其中一個任務(wù)就是要實現(xiàn) FAT 文件系統(tǒng)，即可以從 FAT 文件系統(tǒng) 支持 的磁盤中按文件名訪問并讀出其中的數(shù)據(jù)。 音頻 DAC 是將數(shù)字音頻信號轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號，以推動耳機、功放等模擬音響設(shè)備。模擬信號對波的表示是連續(xù)的函數(shù)特性，基本的原理是不同頻率和振幅的波疊加在 一起。這是 ADC（模擬 — 數(shù)字轉(zhuǎn)換）過程， DAC（數(shù)字 — 模擬轉(zhuǎn)換）過程相反，將連續(xù)的數(shù)字按采樣時候的頻率轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的電壓。上述數(shù)字化的過程又稱為脈沖編碼調(diào)制，通常由 A/D 轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。采樣頻率越高，量化位數(shù)越多，數(shù)字化模擬音頻信號 低通濾波器 編碼 數(shù)字流 采樣 量化 后的音頻質(zhì)量越高。設(shè)這一時間間隔為 T，則取樣后的信號為 ? ?xnT ， n 為自然數(shù)。 ? ? ? ? ? ?? ?sinnn t n TTx t x n tt n TT?? ? ????? （ 22） 當(dāng)采樣頻率為 1/2T 時，即 12nfT?時，稱 nf 為 奈 奎斯特采樣頻率。通常這個量化值用二進制來表示，用 N 位二進制碼字可以表示 2N 個不同的量化電平。 根據(jù)以上公式可知，要減小比特率 I，在 2s 已經(jīng)確定的情況下，只能去減少 N 的值。用均勻量化來量化輸入信號時，無論對大的輸入信號還是小的輸入信號都一律采用相同的量化間隔。 采用不同量化方法，量化后的數(shù)據(jù)量也就不同。具體說就是用 n 比特的二進制編碼來表示已經(jīng)量化了的樣值，每個二進制數(shù)對應(yīng)一個量化電平，然后把它們排列，得到由二值脈沖串組成的數(shù)字信息流。波形編碼是 盡量保持輸入波形不變，即重建的語音信號基本上與原始語音信號波形相同，壓縮比較低；參數(shù)編碼是要求重建的信號聽起來與輸入語音一樣，但其波形可以不同，它是以語音信號所產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種編碼方法，壓縮較高；混合編碼是綜合了波形編碼的高質(zhì)量潛力和參數(shù)編碼的高壓縮效率的混合編碼方法，這類方法也是目前低碼率編碼的方向 。例如， 一幀有剩余的空間，而下一幀沒有，他們就可以組合起來產(chǎn)生一個優(yōu)化的結(jié)果。首先，壓縮過程將人類根本不能聽到的部分丟棄（或者至少做出可接受的折衷），然后對冗余編碼進一步的壓縮 [18]。 MP3 編碼過程可以分成幾個步驟：首先，將信號分解成稱為幀的組建片、每一幀持續(xù)不到一秒。第三，要考慮數(shù)據(jù)傳輸率，它決定了每一幀能夠分配的比特最大值。第四，經(jīng)過 Huffman 編碼的處理，這個過程去處取樣的冗余信息。把一定數(shù)量的幀集合起來，再在每個數(shù)據(jù)幀前加上頭信息，就組裝成一系列的比特流，頭信息主要包括一些相關(guān)幀的指令。 MP3 的聲音數(shù)據(jù)分成幀，每幀包含 1152 個樣本的數(shù)據(jù)，由 32 個子帶分別輸出 MP3的編碼器輸入，以 12 個樣本為一組，每組樣本經(jīng)過時間 頻率變換之后進行一次位分配并記錄一個比例因子（ scale factor）。在濾波器組上， MP3 在使用了正交鏡像濾波（和MP1 和 MP2 相同）后，緊跟著使用了改進離散 余弦 變換 MDCT（ Modified Discrete Cosine Transform），對正交鏡像濾波的不足進行了一些補償。 圖 22 MP3 編碼器和解碼器的結(jié)構(gòu) MP3 指定了兩種 MDCT 的塊長：長塊的塊長為 18 個樣本，短塊的塊長為 6 個樣本，相鄰變換的窗口之間有 50%的重疊。因為低頻區(qū)的頻域分辨率對音質(zhì)有重大影響，所以在混合塊長模式下 MDCT 對低頻的 2 個子帶使用長塊，而對其余的 30 個子帶使用短塊。雖然 MP3 引入了許 多復(fù)雜的感念，但是它的計算量并沒有比 MP2 增加許多。解碼器并不需要存儲或者利用人類心理聲學(xué)理論，也不需要進行比特分配過程。這在那些沒有良好微線程特征的操作系統(tǒng)中特別的明顯，如果有適當(dāng)?shù)挠布?，可以在很大程度上免?MP3 的 中斷 的問題。 MP3 播放器的編碼過程包括：音頻信號數(shù)字化、音頻采樣、音頻量化和音頻編碼。 3 MP3 播放器的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)的總體設(shè)計 此次設(shè)計方案可以方便的將外部的 MP3格式的音樂文件傳輸?shù)奖鞠到y(tǒng)的存儲器 Flash中。音樂播放器首先讀取存儲器上的音樂信號，再通過解碼器對信號進行解碼分析，經(jīng)解碼的信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換器將解碼出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后把轉(zhuǎn)換后的模擬音頻放大，通過低通濾波后到音頻輸出。 AT89C51SND1 內(nèi)部主要資源如圖 33 所示 。對于功能復(fù)用的引腳要慎重考慮。 P1端口第二功能有 KIN3:0 SCL SDA P4具有 8bit內(nèi)部上拉 能 MISO MOSI SCK SS P5具有 4bit內(nèi)部上拉 IO. 時鐘信號管腳 FILT I PLL 的低通濾波器輸入