【正文】 圖 22 MP3 編碼器和解碼器的結(jié)構(gòu) 分析濾波器組 比例器和量化器 哈夫曼編碼 掩蔽域值 邊信號編碼器 F F T MDCT 動態(tài)加窗 逆 MDCT動態(tài)加窗 合成濾波器組 逆比例器和量化器 哈夫曼解碼器 邊信號解碼器 MCU MCU 數(shù)字通信 東北林業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計 9 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。而且通過對子帶的進一步細分，編碼器部分消除了多相濾波器組引入的混迭效果。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。比例因子的作用是充分利用 量化器 的量化范圍，通過位分配的比例因子相配合，可以表示的動態(tài)范圍超過了 120dB 的樣本 [20]。 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）。另外，對每個單獨的幀的編碼算法經(jīng)常還依賴于對前一幀和后一幀。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。因此，讀者可以看 到， 整個 MP3 編碼過程是：首先，利用所有的心理聲學模板選擇性的丟棄大量數(shù)據(jù)，然后壓縮剩余的數(shù)據(jù)，消除冗余。第四，經(jīng)過 Huffman 編碼的處理，這個過程去處取樣的冗余信息。這一步?jīng)Q定了可以存儲多少可獲得的數(shù)據(jù)以及有多少數(shù)據(jù)被丟棄。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。第二，分析信號已決定其“光譜能量分布”，也就是說，在整個可聽頻率的光譜范圍內(nèi)，找出怎樣將比特流進行分布，以產(chǎn)生最好的音頻編碼。 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。 MP3 編碼工具分析信號源，把它分解為各種數(shù)學模板，并與編碼器存儲的心理聲學模板進行比較。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]。這叫做“ ID3”數(shù)據(jù)，當文件數(shù)目不斷增長是，將會非常有用。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。每一幀的前面都有一個頭信息，其中就包括一些關(guān)于后繼數(shù)據(jù)的額外信息。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 。采樣頻率越高，量化比特數(shù)越大，數(shù)碼率就越高，所需要的傳輸帶寬就越寬 [17]。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。 四 、音頻編碼 采樣、量化后的信號還不是數(shù)字信號，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖，這一過程成為編碼。 采用不同量化方法，量化后的數(shù)據(jù)量也就不同。 非均勻量化的基本思想是對輸入信號進行量化時，大的輸入信號采用大的量化間隔，小的輸入信號采用小的量化間隔，這樣就可以在滿足精度要求的情況下使用較少的位數(shù)來表示。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。因此在編碼時就需要合理地選擇 N 的值 [16]。 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。 表示采樣值的二進制的位數(shù)為量化位數(shù)，它反映出各采樣值的精度，如 3 位能表示采樣值的 8 個等級， 8 位 能反映 256 個等級，其精度為音頻信號最大振幅的 1/256。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。量化過程是將采樣值在幅度上再進行離散化處理的過程。 ? ? ? ? ? ?? ?sinnn t n TTx t x n tt n TT?? ? ????? （ 22） 當采樣頻率為 1/2T 時，即 12nfT?時，稱 nf 為 奈 奎斯特采樣頻率。設(shè)連續(xù)信號 ??xt 的頻譜為 ? ?xf ，以采樣間隔時間 T 抽樣得到離散信號 ? ?xnT ，如果滿足 cff? 時，其中 cf 是截止頻率，即 12cTf?時，可以由? ?xnT 完全確定連續(xù)信號 ? ?xf ，如公式 （ 21） 所示。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)。一個在時間和幅值上都連續(xù)的模擬音頻信號的函數(shù)表示為 ??xt ，采樣的過程就是在時間上將函數(shù) ??xt 離散化的過程。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。將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號為 D/A 轉(zhuǎn)換。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)。 MP3 播放器 編碼 過程 編碼分析 一 、音頻信號數(shù)字化 信號的數(shù)字化就是將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號，一般需要 完成采樣、量化和編碼三個步驟，如圖 21 所示。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)換成對應的電壓。單位時間內(nèi)的采樣次數(shù)稱為采樣頻率。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。數(shù)字音頻信號是相對模擬音頻信號來說的。 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。目前最廣泛使用的是 USB 總線，并且遵循微軟定義的大容量移動存儲協(xié)議規(guī)范，將 MP3 播放機作為主機的一個移動存儲設(shè)備。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)。它通過接收儲存主機通訊端口傳來的數(shù)據(jù)（通常以文件形式），回放的時候 MCU 讀取存儲器中的數(shù)據(jù) 并 送到解碼器。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]?？刂?MP3 的各個部件的工作：從存儲設(shè)備讀取數(shù)據(jù)送到解 碼器解碼；與主機連接時完成與主機的數(shù)據(jù)交換；接收控制按鍵的操作；顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)等任務(wù) 。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。 （ 4） 對 MP3 播放器的軟件 進行 設(shè)計 與調(diào)試 。 （ 2） 對 MP3 播放器的整體結(jié)構(gòu) 進行 分析 。 課題 研究內(nèi)容 隨著現(xiàn)代電子工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展， MP3 播放器越來越受到人們的喜愛。盡管 MP3 音樂是有損的，它在壓縮過程中對功率譜較弱的信號有所丟失，但它同 CD 原聲區(qū)別不大，不影響一般音樂愛好者對音樂的欣賞。存儲器可以是 Flash 存儲器或硬盤。 MP3 播放器一般分成 3 個部分： CPU、 MP3 硬件解碼器存儲器。支持市 場細分的，是廠商的綜合實力、技術(shù)、市場、渠道和服務(wù)。蘋果的硬盤式 MP3— iPod 也因人性化的操作方式、巨大的容量，引起了轟動，為 MP3 產(chǎn)品帶來了全新的思路。針對這種情況，幾乎所有的廠商都加大了新產(chǎn)品的推出力度，并細分產(chǎn)品線。隨著價格的回落 與技術(shù)的成熟，當前的MP3 已經(jīng)不再是過去發(fā)燒友們享受音樂的專利。 雖然 2021 年 MP3 在市場價格不斷下降，但總體來說下降速度明顯低于預期，以至于256MMP3 收到價格過高的影響遲遲沒有替代 128M 產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，愛國者 還另辟蹊徑，推出獨特的彩屏 MP3。 國內(nèi)的品牌也不再滿足低端定位，紛紛推出自己的高端產(chǎn)品。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。愛國者、聯(lián)想、朝華等廠商都占據(jù)市場銷售的前列。 MP3 市場超高速增長主要依賴以下因素：（ 1）國際市場閃存的價格迅速回落，使得MP3 的生產(chǎn)成本大幅度下降，從而引發(fā) MP3 價格的雪崩，市場平均價格從 1100 多元下降到 700 多元，一直到現(xiàn)在的 200 到 300 元，有效的刺激了學生等低收入群體的購買（ 2）MP3 的功能不斷增強，大多數(shù) MP3 在基本的播放功能的基礎(chǔ)上已經(jīng)具備了錄音、收音、FM 等附加功能，同時音質(zhì)不斷改善，播放模式更加多樣化，容量也在不斷擴大 [9]。 MP3 播放器近乎完美的播放效果和豐富歌曲資源、可靠性高、功耗低、無機械結(jié)構(gòu)等特點，普遍受到廣大音樂愛好者的歡迎。 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。生存壓力迫使不少廠商變得急功近利，盡量壓低產(chǎn)品成本的同時，產(chǎn)品的質(zhì)量也嚴重縮水。本文以嵌入式 MP3 播放器業(yè)務(wù)為研究的對象，通過對整個市場的研究、分析、比較得出嵌入式 MP3 的核心競爭力所在，并籍此制定出合理的競爭和發(fā)展戰(zhàn)略，最終在市場競爭中獲勝。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。 另外一個原因是近年來，嵌入式系統(tǒng)與 單片機開發(fā) 的有機結(jié)合，已廣泛被應用于網(wǎng)絡(luò)東北林業(yè)大學畢業(yè)設(shè)計 3 通信、工業(yè)控制、機頂盒、 PDA 等諸 多領(lǐng)域 [8]。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。 課 題研究的意義 MP3 音頻播放器的最合理工作速度為 30Mips，而一個典型的視頻媒體播放器的理想速度則為 175Mips，所以提高 MP3 的工作速度，以及改善 MP3 的音質(zhì)是最關(guān)鍵的，也是亟待解決的問題。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]。使用 MP3 標準對于音頻數(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。序號越高，復雜性越大，但是可提供更好的編碼效率，特別是在低比特率時。 MPEG(Moving Picture Experts Group)運動圖像專家組，在 1992 年底制定了第一個世界范圍的 HiFi(HighFidelity)質(zhì)量的音頻編碼標準 MPEG1。 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。甚至已可以說，一些新鮮元素僅僅是一種吸引眼球的賣點，當站在實用好用的角度考慮時，更多的只是一種設(shè)計上的缺陷。然而當我們更進一步細致斟酌一下近期 MP3 曾經(jīng) 火熱過的賣點，在各式各樣華麗光環(huán)底下，卻未必全然都那么地完美無缺 [4]。然而事隔多年， MP3 播放器非但沒有任何即將衰敗的跡象，反而因為越來越強悍的功能，越來越多變的造型以及工業(yè)設(shè)計新元素的添加，讓 MP3 能夠持久的煥發(fā)著生機和活力。適中的價格、良好的音質(zhì)，使用便于攜帶、長時間播放和豐富的資源使 MP3 播放器成為最受歡迎的網(wǎng)絡(luò)音樂媒體。 本課題來源于 生產(chǎn)實踐 東北林業(yè)大學畢業(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。在網(wǎng)絡(luò)中的各種音樂格式中， MP3 是目前最流行的一種音樂格式，深受廣大音樂愛好者 的喜愛。另一方面， MP3 格式是世界上第一個有損壓縮的編碼方案，基本上所有的播放器都支持它。 MP3 播放器無疑是音樂史上極具顛覆性的傳播媒介。希望此研究分析的經(jīng)驗及成果，能成為以后 開發(fā) 一個特殊應用平臺時的基礎(chǔ)。硬件方面，分析了 MP3 的算法后，找出最迫切需要硬件加速的部分。也因此先進設(shè)計的焦點已經(jīng)不只是放在傳統(tǒng)的性能上，低功耗和低成本已經(jīng)轉(zhuǎn)而變成最重要的因素之一。 消費類的電子應用在嵌入系統(tǒng)中所扮演的角色變得越來越重要，尤其是手持類產(chǎn)品更是越來越豐富。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]。由于 MP3 音樂的較小數(shù)據(jù)量和近乎完美的播放效果使其在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)靡詫崿F(xiàn)。 MP3 技術(shù)使音樂數(shù)據(jù)壓縮比率大，回放質(zhì)量高。因為復雜，所以很有發(fā)展的潛力。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，然后下載到目標機上運行。目前，嵌入式系統(tǒng)已廣泛用于信息家電、移動通信、工業(yè)控制、軍事電子等領(lǐng)域。s sound quality. Low data volume and the advantages of high playback quality make it a music store, digital broadcasting, the main form of online music transmission. Single tablets machine is a integrated circuit