【正文】 音的質(zhì)量上也有很大的不同，在過去 的幾年里，這些不同對計算機(jī)硬件的 依賴 在很大程度上被忽視了，實(shí)際上解碼器也同樣要消耗大量系統(tǒng)資源的。除了使用MDCT 外， MP3 還采用了其他許多改進(jìn)措施來提高壓縮比而不降低音質(zhì)。 MP3 編碼器的詳細(xì)框圖如圖 22 所示。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(jìn)行 [19]。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(jìn)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(zhǔn)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。編碼器就可以丟棄大部分不匹配的數(shù)據(jù)。在某些編碼中，這些幀可以互相影響。最簡單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。 均勻量化就是采用相等的量化間隔進(jìn)行采樣，也 稱為 線性量化。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。一般的采樣是按照均勻的時間間隔進(jìn)行的。 采樣是指 用每隔一定時間間隔的信號樣本值序列來代東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 6 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(jìn)制數(shù)碼表示。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。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]。 東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 5 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(jī)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。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。 在市場細(xì)分下，愛國者月光寶盒 MP3 針對不同的用戶推出不同的經(jīng)典之作，產(chǎn)品劃分為經(jīng)典、時尚、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用型等等。國內(nèi)品牌愛國者、蒙恬、明基等廠商相繼推出各自的硬盤 MP3。從 2021年到現(xiàn)在， MP3 市場繼續(xù)保持高速增長，銷量達(dá)到 萬臺，同比增長 %，銷售額達(dá)到 億元，同比增長 %。 國內(nèi)外概況 隨著經(jīng)濟(jì)全球化的推進(jìn)和中國加入 WTO，每一個企業(yè)都被置于了一個全球性的大市場中，任何一個企業(yè)都面臨著行業(yè)內(nèi)部各個方面的競爭壓力，同時也面臨著行業(yè)外部的進(jìn)入威脅，企業(yè)要想在競爭中立于不敗之地，就必須首先在一個市場或一個行業(yè)取得絕對性的競爭優(yōu)勢，同時以此為基礎(chǔ)在向另一個潛在的市場擴(kuò)張，這其中擁有的核心競爭力 是企業(yè)獲勝的關(guān)鍵，企業(yè)只有通過不斷的增強(qiáng)核心能力，并通過這些能力的強(qiáng)化組個來形成企業(yè)的核心競爭力，才能獲得持續(xù)的競爭優(yōu)勢。基于以上背景，我在此次設(shè)計中提出了 AT89C51SND1C 微處理器的 軟 件 解碼方案，在降低硬件成本的基礎(chǔ)上保證高質(zhì)量的播放效果。因此音頻壓縮技術(shù)在廣播專業(yè)領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)傳輸及多媒體應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注，成為音頻信號處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。 課題研究的目的和意義 課題研究的目的 MP3 早在多年前就打敗了 CD/MD 播放器，奪取了隨身 聽市場的頭把交椅。由于 MP3 播放器的生產(chǎn)成本較低、外觀可塑性強(qiáng)，并且可置于手機(jī)等不同產(chǎn)品中，滿足了不同消費(fèi)者的需求，因此，受到了不同層次消費(fèi)者的青睞。這類的產(chǎn)品的體積通常較小， 價位通常相對較低，對于功耗的要求也相對的嚴(yán)格許多。 MP3 作為高質(zhì)量音樂壓縮標(biāo)準(zhǔn)，給音頻產(chǎn)業(yè)帶來了巨大的沖擊。 關(guān)鍵詞 ： 音樂 播放器； 單片機(jī) ；解碼器 ； Microcontrollerbased MP3 Player Design Abstract MP3 is MPEG1 Audio Layer Ⅲ for short. MPEG Audio is widely used audio pression standards, including the most plex algorithm Ⅲ level, but the maximum pression ratio, better, at lower bit rate can be achieved under the conditions of the basic CD39。 5 月初 —— 6 月初 系統(tǒng)調(diào)試并完成說明書的寫 作，準(zhǔn)備答辯。 課題的研究內(nèi)容主要包括以下幾方面： MP3 壓縮算法的研究。 （ 2）時間安排 ： 3 月初 —— 4 月初 通過學(xué)習(xí)，了解 MP3 壓縮算法。 單片機(jī)是一 種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力（如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，數(shù)據(jù)傳送，中斷處理）的微處理器，隨即存取數(shù)據(jù)處理器，只讀程序存儲器，輸入輸出電路，可能還包括定時計數(shù)器，串行通信口，顯示驅(qū)動電路，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D 轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個最小而又完善的計算機(jī)系統(tǒng)。在嵌入式設(shè)備系統(tǒng)開發(fā)過程中需要將軟件用于操作系統(tǒng)編譯連接成一個整體，然后下載到目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行。近幾年以來，隨著 MP3 播放器的出現(xiàn)及其技術(shù)的發(fā)展，人們對 MP3 播放器的要求越來越高，制造商在 MP3 播放器的選型、設(shè)計、開發(fā)、附加功能和試用領(lǐng)域等方面做了很多努力，設(shè)計了多種方案 [13]。希望此研究分析的經(jīng)驗及成果，能成為以后 開發(fā) 一個特殊應(yīng)用平臺時的基礎(chǔ)。 本課題來源于 生產(chǎn)實(shí)踐 東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 音質(zhì)是選擇音樂格式最重要的一個因素， MP3 音樂具有壓縮比高，音質(zhì)較好、制作簡單、容易獲取、交流方便等優(yōu)點(diǎn)。甚至已可以說，一些新鮮元素僅僅是一種吸引眼球的賣點(diǎn)，當(dāng)站在實(shí)用好用的角度考慮時，更多的只是一種設(shè)計上的缺陷。使用 MP3 標(biāo)準(zhǔn)對于音頻數(shù)據(jù)編碼既可以獲得較大的音頻數(shù)據(jù)壓縮比，又可以得到較好的音樂回放質(zhì)量。 另外一個原因是近年來，嵌入式系統(tǒng)與 單片機(jī)開發(fā) 的有機(jī)結(jié)合，已廣泛被應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 3 通信、工業(yè)控制、機(jī)頂盒、 PDA 等諸 多領(lǐng)域 [8]。 隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品以其自然 的人際交互界面和豐富的多媒體處理能力迅速得以推廣，并取得了巨大成功。一方面他們繼續(xù)鞏固在高端市場的優(yōu)勢，同時也在不斷想中低端市場滲透。隨著價格的回落 與技術(shù)的成熟，當(dāng)前的MP3 已經(jīng)不再是過去發(fā)燒友們享受音樂的專利。 MP3 播放器一般分成 3 個部分： CPU、 MP3 硬件解碼器存儲器。 （ 2） 對 MP3 播放器的整體結(jié)構(gòu) 進(jìn)行 分析 。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]。 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(jī)、功放等模擬音響設(shè)備。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。采樣頻率越高，量化位數(shù)越多，數(shù)字化后的音頻質(zhì)量越高。 ? ? ? ? ? ?? ?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。 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。 采用不同量化方法，量化后的數(shù)據(jù)量也就不同。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 。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(jìn)一步的壓縮 [18]。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。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。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(jìn)離散 余弦 變換 MDCT（ Modified Discrete Cosine Transform），對正交鏡像濾波的不足進(jìn)行了一些補(bǔ)償。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。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(jìn)行比特分配過程。 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。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(jìn)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。對于功能復(fù)用的引腳要慎重考慮。 INT1 I （ ） Timer 1 Gate Input INT1的作為定時器 1，當(dāng)由 GATE1 TCON寄存器中的位選擇外部運(yùn)行控制。選用 AT89C51 單片機(jī)作為主機(jī)，它具有 4K 片內(nèi) ROM， 128 字節(jié)片內(nèi)RAM， 片外 ROM 尋址范圍達(dá) 64K， 2 個 16 位計數(shù)器， 5 個中斷源， 4 個并行口，一個串行口。 圖 36 AS1117 系統(tǒng)框圖 其特點(diǎn)： 環(huán)境溫度范圍是 50℃～ 140℃ 用途： CS4331 在改善音頻質(zhì)量，降低信噪比等方面都很好。 MCLK 則是 DAC 電路所需的主時鐘。液晶顯示具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，正好適應(yīng)MP3 播放器的需求。按下按鈕則直接把+5V 加到了 RST/VPD 端從而復(fù)位，這稱為手動復(fù)位。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，以便各部分保持同步。產(chǎn)生中斷后，程序讀取下一個扇區(qū)中的數(shù)據(jù)，如果程序不需要再讀取下一扇區(qū)的數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)送入解碼器中。MPFREQ) //解碼器數(shù)據(jù)請求中斷產(chǎn)生時 { For(i=0。return。 //讀取當(dāng)前歌曲的下一個 512 字節(jié) } MP3DAT=Page_Buf[j++]。 圖 42 鍵盤相應(yīng)流程圖 每個鍵對應(yīng)了一個鍵盤響應(yīng)函數(shù)。當(dāng)處于“音量控制（ VOLUME）”狀態(tài)時，則改變音量寄存器的值，從而控制音樂音量。 MP3TRE+=7。此鍵的功能與 Next 正好相對應(yīng)。 case SELECTSONG : //如果處于 MP3 選曲功能 { if(NowPlaying0)NowPlaying。 //按一下播放鍵時，改變播放狀態(tài) } USB 通信功能程序設(shè)計 USB 通信功能模塊用于對 Flash 存儲器內(nèi)的文件進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn) MP3 文件的下載，由于 AT89C51SND1C 沒有外部中斷引腳， USB 中斷沒有中。 //如果當(dāng)前已經(jīng)到達(dá)第一首，則指向最后一首 ChangwSong=1。 //右聲道音量增大一檔 MP3VOL+=0x01。 } case SELECTSONG : //如果處于 MP3 選曲功能 { if(NowPlaying==(NumofSong1)) NowPlayiing=0。而如果處于“選曲 （ SELECTSONG）”狀態(tài)時，則切換到當(dāng)前MP3 歌曲列表中的下一曲。功能切換的作用是設(shè)置功能狀態(tài)。 //如果是暫停狀態(tài)則等待 東北林業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 while(ChangeSong) {DataRead=0。MPBREQ))。i++) //第一次要向解碼器緩存中置入 1024 字節(jié) { if(j==512) //當(dāng)用完 512 字節(jié)時 { m=ReadSector(SongName,Page_Buf)。將讀取后的數(shù)據(jù)送入解碼器中，解碼時，通過鍵盤控制。電路圖如 圖 312 所示 ： 圖 312 晶振電路 東北