【正文】 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。 MP3大大縮小了聲音文件的長度，使音樂的存儲和傳輸更方便。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。其中可以將前兩部分集成在一起，即帶 MP3 硬件解碼器的 CPU；或?qū)⒑髢刹糠旨稍谝黄穑醇捎布獯a、 D／ A 轉(zhuǎn)換及音頻輸入。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(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)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(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。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。 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(biāo)準(zhǔn) MPEG1?；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。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。MPEG1 分為三種不同的方式， 稱 為 Layer Layer2 和 Layer3。 MP3 就是 MPEG1 Layer3，是基于感知編碼的算法，目前在 CD 音質(zhì)的聲音壓縮方面，是一種通用的方法。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。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。 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。而硬盤式MP3 的多功能及大容量，也必將受到不少消費者的喜愛。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(jìn)一步的體現(xiàn)了該設(shè)計的靈活性。 MP3 播放器一般分成 3 個部分： CPU、 MP3 硬件解碼器存儲器。存儲器可以是 Flash 存儲器或硬盤。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。 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。它運行 MP3 的整個控制程序，也 稱為 fireware（或者 固件程序）。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）。 本課題來源于 生產(chǎn)實踐 存儲設(shè)備是 MP3 播放機的重要部分，通常的 MP3 隨身聽都是采用半導(dǎo)體存儲器（ FLASH MEMORY）或者硬盤（ HDD）作為儲存設(shè)備的 [11]。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]。 主機通訊端口是 MP3 播放機與 PC 機交換數(shù)據(jù)的途徑， PC 通過該端口操作 MP3 播放機存儲設(shè)備中的數(shù)據(jù)，拷貝、刪除、復(fù)制文 件等操作。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]。這里要介紹一下數(shù)字音頻信號。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)字音頻信號是對模擬信號的一種量化，典型方法是對時間坐標(biāo)按相等的時間間隔做采樣，對振幅做量化。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。 MP3 解碼器解碼后的信息屬于數(shù)字音頻信號（數(shù)字音頻信號有不同的格式，最常用的是 PCM 和 I2S 兩種），需要通過 DAC 轉(zhuǎn)換器變成模擬信號才能推動功放， 被人耳所識別。 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(jìn)制數(shù)碼表示。 圖 21 音頻信號數(shù)字化 數(shù)字音頻信號經(jīng)過處理、記錄或傳輸后，當(dāng)需要重現(xiàn)聲音時，還必須還原為連續(xù)變化的模擬信號。 數(shù)字音頻的質(zhì)量取決于采樣頻率和量化位數(shù)。 二 、音頻采樣 采樣就是從一個時間上連續(xù)變化的模擬信號取出若干個有代表性的樣本值，來代表這個連續(xù)變化的模擬信號。一般的采樣是按照均勻的時間間隔進(jìn)行的。 根據(jù) 奈奎斯特 采樣定理：要從采樣值序列完全恢復(fù)原始的波形，采樣頻率必須大 于 或等于原始信號最高頻率的 2 倍。 ? ? ? ? 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。 三 、音頻量化 采樣把模擬 信號變成了時間上離散的樣值序列，但每個樣值的幅度仍然是一個連續(xù)的模擬量，因此還必須對其進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)換為有限個離散值，才能最終與數(shù)碼來表示其幅值。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。存儲數(shù)字音頻信號的比特率為： sI N f?? ，其中的 sf 是采樣率， N 是每個采樣值的比特數(shù)。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。N 的值降低會導(dǎo)致量化的精度降低， N 的值增加又會導(dǎo)致信息存儲量的增加。 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。因此，要想既適應(yīng)幅度大的輸入信號，同時又要滿足精度高的要求，就需要增加采樣樣本的位數(shù)。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。因此說量化也 是一種壓縮數(shù)據(jù)的方法。最簡單的編碼方式是二進(jìn)制編碼。用這種方式組成的二值脈沖的頻率等于采樣頻率與量化比特數(shù)的乘積，成為數(shù)字信號的數(shù)碼率。 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。 編碼 過程 MP3 文件由一系列長度不同的幀組成，一個接著一個，就好像電影膠片一樣。在某些編碼中，這些幀可以互相影響。在一個 MP3 文件的開始或者結(jié)尾，通常會存儲一些額外的信息，包括歌手、曲目名、專輯名、錄制時間、流派 以及 個人評論。 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。然而， 正是 第一部分的壓縮做了大部分的工作，也具有更多的復(fù)雜性，這里也被更多的考慮。編碼器就可以丟棄大部分不匹配的數(shù)據(jù)。這和電影中的幀很類似。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(jìn)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(jìn)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）。例如，如果數(shù)據(jù)傳輸率是 128kbit/s，那么每一幀可以分配的數(shù)據(jù)上限就確定了（除非使用變比特率方法）。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。Huffman 編碼與心理聲學(xué)模型并不相關(guān)，它只是通過傳統(tǒng)的壓縮方式 獲得 額外的壓縮比。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)。在這個過程中，許多其他因素需要考慮，這經(jīng)常在開始編碼前就需要預(yù)先設(shè)定。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]。位分配的信息告訴解碼器每個樣本由幾位表示，比例因子用 6 位表示解碼器，使用 6 位的比例因子乘以量化器的每個輸出樣本值，以恢復(fù)被量化的子帶值。 MP3 使用了從 ASPEC（ Audio Spectral Perceptual Encodin