【文章內容簡介】 衡的一個范圍。 1. MP3 是一個數據壓縮格式。 2. 它丟棄掉脈沖編碼調制音頻數據中對人類聽覺不重要的數據，從而達到了 小得多的文件大小。 3. MP3 音頻可以按照不同的位速進行壓縮，提供了在數據大小和聲音質量之間進行權衡的一個范圍。 MP3 格式使用了混合的轉換機制將時域信號轉換成頻域信號。 4. 32 波段多相積分濾波器（ PQF）。 5. 36 或者 12 tap 改良離散余弦濾波器（ MDCT）；每個子波段大小可以在 0...1和 2...31 之間獨立選擇。 不僅有廣泛的用戶端軟件支持，也有很多的硬件支持比如便攜式媒體播放器（指 MP3 播放器） DVD 和 CD 播放器。 MP3 的音頻質量 MP3 提供了多種不同 “ 位速 ” 的選項用來表示每 秒音頻所需的編碼數據位數 ， 典型的速度介于每秒 128 和 320kb 之間。與 之相對 的是 在 CD 上未經壓縮的音頻位速是 kbit/s。 通常較低位速編碼的 MP3 文件 的 回放質量較低。 “ 壓縮噪聲 ” （原始錄音畢業(yè)論文 6 中沒有的聲音）將會在回放 那些 使用過低的位速 的 MP3 文件中 出現。它的急劇變化和隨機性 使得 編碼器的錯誤 將 會更明顯。 MP3 文件的質量與編碼器的質量 和 編碼信號的難度有關。聽力測試顯示經過簡單的練習測試聽眾能夠可靠地區(qū)分出 128kbit/s MP3 與原始 CD 的區(qū)別 ，所以 在許多情況下他們 覺得 MP3 的 音質太 差 是不可接 受的 。 然而其他一些聽眾他們又認為音質是可接受的 ，特別是 換個環(huán)境（如在嘈雜的 公共場所 中或者聚會上）。MP3 編碼的 弊端 在低端計算機的揚聲器上 相對 不 太 明顯， 然 而在高質量立體聲系統(tǒng)， 特別 是 在 使用高質量的 headphone 時 就會 比較明顯。 Fraunhofer Gesellschaft 在官方網站上公布了 MPEG1 Layer 2 和 3的數據速率和壓縮率用于比較： ⊙ Layer 1: 384 kbit/s，壓縮率 4:1 ⊙ Layer 2: 192...256 kbit/s，壓縮率 8:1...6:1 ⊙ Layer 3: 112...128 kbit/s，壓縮率 12:1...10:1 不同層面之間的差別是因為它們使用了不同的心理聲學模型導致的 。因為Layer 1 的算法相當簡單 ， 所以透明編碼就需要更高的位速 ， 由于不同的編碼器使用不同的模型， 所以 很難進行這樣的完全比較。 位速 ： MP3 文件 的位速 是可變的 ， 位速越高則聲音文件中包含的原始聲音信息越多 。位數越高 回放時聲音質量也越高。 MPEG1 Layer 3 允許使用的位速是 3 4 5 6 80、 9 1112 160、 19 22 256 和 320 kbit/s。 MPEG1 Layer 3 允許的采樣頻率是3 和 48kHz，其中 （與 CD 的采樣速率相同）是最為經常使用的采用頻率。 128kbit/s 是 “ 高質量 ” 音頻 的標準， 雖然 192kbit/s 在共享網絡上越來越受到歡迎。 將 MP3 文件中音頻切分成有不同位速的幀，在編碼文件的時候就可以動態(tài)的 改變位速 ，使得 可變位速（ VBR）也是可能的。 雖然 在最初的實現中并沒有這項功能， 但是 現在 VBR 已經廣泛的應用 ， 這項技術使得在聲音變化小的部分使用較小的位速而在聲音變化大的部分使用較大的位 速成為可能 [2]。 畢業(yè)論文 7 MP3 音頻編碼 MPEG1 標準中沒有 MP3 編碼器的一個精確規(guī)范，人們設計適合去除原始音頻中部分信息的算法 來實現 編碼。在編碼過程中， 576 個時域樣本被轉換成 576個頻域樣本 。 如果是瞬變信號就使用 192 而不是 576 個采樣點，這是限制量化噪聲隨著隨瞬變信號短暫擴散 [11]。 這樣帶來的結果就是出現了許多不同的 MP3 編碼器 。每種編碼器 生成的聲音質量都不相同。需 要記住的是 那些 高位速編碼表現優(yōu)秀的編碼器未必在低位速的表現也同樣好。 MPEG— llayerⅢ壓縮編碼算法是 ISO 于九十年代初對于音頻壓縮、視頻壓縮及等等數據流的同步和復合提出的國際標準 [13]。在音頻壓縮方面，它充分利用人耳的聽覺特性，以 12： 1 的比率減少原 CD 數據采樣數據量。該技術特別適用于低傳輸速率下高保真音頻數據的傳送。因而此技術在因特網上得以流行并且在廣播系統(tǒng)和數字音頻中得到了廣泛應用。 MPEG1 layer III 編碼過程如圖： 畢業(yè)論文 8 圖 MPEG1 layer III 編碼過程框圖 MP3 音頻解碼 不同于 MP3 編碼， MP3 的 解碼在標準中進行了細致的定義。 多數解碼器是 bitstream pliant，也就是說 MP3 文件解碼出來的非壓縮輸出信號將與標準文檔中數學定義的輸出信號一模一樣（在規(guī)定的近似誤差范圍內） [6]。 MP3 文件有一個標準的格式 。 這個格式就是包括 38 57 1152 個采樣點的幀，并且所有的幀都有關聯的頭信息和輔助信息 ， 頭 信息 和輔助信息能夠幫助解碼器正確地解碼相關的霍夫曼編碼數據。所以大多數的 解碼器比較幾乎是完全基于它們的計算效率 。 例如 ： 它們在解碼過程中所需要的內存或者 CPU 時間。 ? Mp3 解碼過程了解 Mp3 的解碼總體上可分為 9 個過程：比特流分解，霍夫曼解碼，逆量化處理，立體聲處理，頻譜重排列，抗鋸齒處理， IMDCT 變換，子帶合成， pcm 輸出[1]。 簡要描述 mp3 的壓縮流程。聲音是一個模擬信號，對聲音進行采樣，量化，編碼將得到 PCM 數據， PCM 又稱為脈沖編碼調制數據，是電腦可以播放的最原始時域 頻域映射（子帶濾波器組） 數字音頻信號 M D C T 非線性量化和編 碼 幀數據流格式化 輸出碼流 輔助數據 生理聲學模型 FF 樣點 畢業(yè)論文 9 的數據，也是 MP3 壓縮的源 [1]。為了達到更大的數據壓縮率， MPEG 標準采用子帶編碼技術將 PCM 數據分成 32 個子帶，每個子帶都是獨立編碼的，然后將數據變換到頻域下分析， MPEG 采用的是改進的離散余弦變換，也可以使用傅利葉變換，再下來為了重建立體聲進行了頻譜按特定規(guī)則的排列，隨后立體聲處理，處理后的數據按照協議定義進行量化，為了達到更大的壓縮，再進行霍夫曼編碼。最后將一些系數與主信息融合形成 mp3 文件。 ? 解碼是編碼的反過程，大概如下： 所謂比特流分解是指將 mp3 文件以二進制方式打開，然后根據其壓縮格式的定義，依次從這個 mp3 文件中取出頭信息，邊信息，比例因子信息等。這些信息都是后面的解碼過程中需要的 [8]。 霍 夫曼編碼是一種無損壓縮編碼，屬于熵編碼。 逆量化處理只是幾個公式的操作，代碼理解中不難 立體聲處理：這部分的處理也只是對幾個公式的操作，代碼理解不難，但原理上理解有些難度（參考：了解下面的部分可以較好地理解代碼中的立體聲處理函數 Joint Stereo 是一種立體聲編碼技巧，主要分為 Intensity Stereo(IS)和 Mid/Side (M/S) stereo 兩種。 IS 的是在比較低流量時使用，利用了人耳對于低頻訊號指向性分辨能力的不足，將音訊資料中的低頻分解出來合成單聲道資料，剩余的高頻資料 則合成另一個單聲道資料，并另外紀錄高頻資料的位置資訊，來重建立體聲的效果。例如鋼琴獨奏的錄音就可以利用這種方法在有限的資料流量中減少音場資訊卻大幅增加音色資訊。 Mid/Side (M/S) stereo 在左右聲道資料相似度大時常被用到，紀錄方式是將左右聲道音訊合并 (L+R) 得到新的一軌，再將左右聲道音訊相減 (LR) 得到 另外一軌，然后再將這兩軌資料用上面提到聽覺心理學模型與濾波器處理。 Mid/Side (M/S) stereo 與 IS 一樣的是利用部分相位 (phase) 資訊的損失來換得較 高的音色紀錄資訊。一般的 MP3 是 Mid/Side stereo 和 Intensity Stereo 交替使用的） [10]。 頻譜重排列，抗鋸齒處理， IMDCT 變換，子帶合成：這 4 個過程都是對若干公式的操作代碼易懂，至于為什么要用這些公式，估計需要對 MPEG 編碼有個了解才行。 PCM 的輸出是與 c 語言對文件的處理相關的。 畢業(yè)論文 10 綜上，對代碼的集中在前兩個環(huán)節(jié)，一是比特流分解，二是霍夫曼解碼。 MP3 的利弊 ? 優(yōu)點 ： MP3 的優(yōu)點有許多，主要有三點：一是全部是電子元件，所以不存在防震問題，更加適合運動時欣賞音樂； 二是由于大大壓縮了文件的 大小 ，所以能存儲更多的信息 ，方便文件的傳輸與存儲 ；三是可以隨心所欲編輯自己喜愛的歌。 ? 缺點 ： MP3 音頻壓縮技術是一種 有損 壓縮，因為人耳只能聽到一定頻段內的聲音 。而 MP3 技術就把其他更高或更低頻率對人耳是沒有用處的聲音去掉了，從而使得文件體積大為縮小。雖然聽上去 MP3 音樂仍舊具有接近 CD 的音質，但畢竟要比 CD 稍遜一些。 小結 本章主要介紹了 MP3 編解碼方面的基本常識。發(fā)展歷程以及在嵌入式的應用。 MP3 是現在非常流行的一種音頻編解碼的方式， 是當今較流行的一種數字 音頻 編碼 和 有損壓縮 格式，它設計用來大幅度地降低音頻數據量 ，廣泛的應用于網絡等方面。 畢業(yè)論文 11 第三章 STM32 STM32 系列簡介 STM32 系列專為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用 而 專門設計的 ARM CortexM3 內核。 STM32 系列 按性能分成兩個不同的系列： STM32F101“ 基本型 ” 系列和 STM32F103“ 增強型 ” 系列。時鐘頻率達到 72MHz 的 增強型系列是同類產品中性能最高的產品 。 時鐘頻率為 36MHz 基本型 系列 以 16 位產品的價格得到比 16 位產品大幅提升的性能，是 16 位產品用戶的最佳選擇。 STM32 系列都內置 了 32K 到 128K 的閃存，不同的是 SRAM 的最大容量和外設接口的組合。 當 時鐘頻率 72MHz 時，從閃存執(zhí)行代碼， STM32 功耗 36mA，相當于 ，是 32 位市場上功耗最低的產品。 STM32 系列將為業(yè)界帶來 ： 1. ARM 公司的高性能 ”Cortex M3” 內核 ： ,而 ARM7TDMI 只有 。 2. 一流的外設 ： 1μs 的雙 12 位 ADC， 4 兆位 /秒的 UART， 18 兆位 /秒的 SPI， 18MHz 的 I/O 翻轉速度 。 3. 低功耗 ： 在 72MHz 時消耗 36mA(所有外設處于工作狀態(tài) )，待機時下降到 2μA 。 4. 最大的集成度 ： 復位電路、低電壓檢測、調壓器、精確的 RC 振 蕩器等 。 5. 簡單的結構和易用的工具 。 全新 STM32 互連型系列微控制器增加 了 一個全速 USB 接口，使終端產品在連接另一個 USB 設備時既可以充當 USB 主機又可充當 USB 從機 ，并且 還增加一個硬件支持IEEE1588 精確時間協議的以太網接口，可降低 CPU 開銷，提高實時應用和聯網設備同步通信的響應速度。 STM32 互連型系列強化了音頻性能， 為了 實現音頻級別的 I2S 通信 而 采用一個先進的鎖相環(huán)機制。結合 USB 主機或從機功能， STM32 可以從外部存儲器讀取、解碼和輸出音頻信號。 畢業(yè)論文 12 新系列產品整合標準的 STM32 外設（包 括一個 PWM 定時器），先進的面向連接的外設，高性能的 32 位 ARM CortexM3 CPU。 這些特性使開發(fā)人員可以在設備上整合多種功能 。 如 ： 設備互連功能、馬達控制和用戶界面控制。 在 音頻功能方面，新系列微控制器提供兩個 I2S 音頻接口，支持主機和從機兩