【正文】 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(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行量化時(shí)，大的輸入信號(hào)采用大的量化間隔，小的輸入信號(hào)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(lái)表示。用均勻量化來(lái)量化輸入信號(hào)時(shí)，無(wú)論對(duì)大的輸入信號(hào)還是小的輸入信號(hào)都一律采用相同的量化間隔。因此在編碼時(shí)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(jìn)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(gè)等級(jí)，8位能反映256個(gè)等級(jí)，其精度為音頻信號(hào)最大振幅的1/256。通常這個(gè)量化值用二進(jìn)制來(lái)表示，用N位二進(jìn)制碼字可以表示2N個(gè)不同的量化電平。量化過(guò)程是將采樣值在幅度上再進(jìn)行離散化處理的過(guò)程。 （22）當(dāng)采樣頻率為1/2T時(shí)，即時(shí)，稱為奈奎斯特采樣頻率。設(shè)連續(xù)信號(hào)的頻譜為，以采樣間隔時(shí)間T抽樣得到離散信號(hào)，如果滿足時(shí)，其中是截止頻率，即時(shí)，可以由完全確定連續(xù)信號(hào)，如公式（21）所示。設(shè)這一時(shí)間間隔為T，則取樣后的信號(hào)為，n為自然數(shù)。一個(gè)在時(shí)間和幅值上都連續(xù)的模擬音頻信號(hào)的函數(shù)表示為，采樣的過(guò)程就是在時(shí)間上將函數(shù)離散化的過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)為D/A轉(zhuǎn)換。上述數(shù)字化的過(guò)程又稱為脈沖編碼調(diào)制，通常由A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 MP3播放器編碼過(guò)程 編碼分析一、音頻信號(hào)數(shù)字化信號(hào)的數(shù)字化就是將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)，一般需要完成采樣、量化和編碼三個(gè)步驟，如圖21所示。這是ADC（模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換）過(guò)程，DAC（數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換）過(guò)程相反，將連續(xù)的數(shù)字按采樣時(shí)候的頻率轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的電壓。單位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)稱為采樣頻率。模擬信號(hào)對(duì)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(hào)是相對(duì)模擬音頻信號(hào)來(lái)說(shuō)的。音頻DAC是將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，以推動(dòng)耳機(jī)、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(dòng)存儲(chǔ)協(xié)議規(guī)范，將MP3播放機(jī)作為主機(jī)的一個(gè)移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。播放機(jī)其中一個(gè)任務(wù)就是要實(shí)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(guò)接收儲(chǔ)存主機(jī)通訊端口傳來(lái)的數(shù)據(jù)（通常以文件形式），回放的時(shí)候MCU讀取存儲(chǔ)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(hào)[10]?？刂芃P3的各個(gè)部件的工作：從存儲(chǔ)設(shè)備讀取數(shù)據(jù)送到解碼器解碼；與主機(jī)連接時(shí)完成與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換；接收控制按鍵的操作；顯示系統(tǒng)運(yùn)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(jiǎn)稱單片機(jī)。MP3大大縮小了聲音文件的長(zhǎng)度，使音樂的存儲(chǔ)和傳輸更方便。通過(guò)用MP3編碼技術(shù)，可以得到大約12：1壓縮的有損音樂信號(hào)。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?，即集成硬件解碼、D／A轉(zhuǎn)換及音頻輸入。目前該設(shè)計(jì)方案已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，實(shí)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(yùn)行。另外一個(gè)原因是近年來(lái)，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)通信、工業(yè)控制、機(jī)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(chǔ)歌曲數(shù)目較少，在功能上也很難實(shí)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(gè)典型的視頻媒體播放器的理想速度則為175Mips，所以提高M(jìn)P3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(jià)比，豐富的外設(shè)資源，越來(lái)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(duì)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(hào)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(shí)。MPEG(Moving Picture Experts Group)運(yùn)動(dòng)圖像專家組，在1992年底制定了第一個(gè)世界范圍的HiFi(HighFidelity)質(zhì)量的音頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG1?；趩纹瑱C(jī)的MP3播放器設(shè)計(jì)本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐音頻信號(hào)數(shù)字化后所面臨的一個(gè)不容忽視的問題是：巨大的數(shù)據(jù)量給存儲(chǔ)和傳輸帶來(lái)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(hào)處理的關(guān)鍵技術(shù)之一。MPEG1分為三種不同的方式，稱為L(zhǎng)ayerLayer2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(jì)算，對(duì)處理器與內(nèi)存的要求相當(dāng)高?；谝陨媳尘?，我在此次設(shè)計(jì)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(chǎng)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(fèi)者的喜愛。本文提出了一種基于單片機(jī)的MP3播放器的設(shè)計(jì)方案，這就進(jìn)一步的體現(xiàn)了該設(shè)計(jì)的靈活性。MP3播放器一般分成3個(gè)部分：CPU、MP3硬件解碼器存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器可以是Flash存儲(chǔ)器或硬盤。盡管MP3音樂是有損的，它在壓縮過(guò)程中對(duì)功率譜較弱的信號(hào)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(duì)音樂的欣賞。2 MP3的編解碼過(guò)程 MP3的工作原理一個(gè)完整MP3播放器要分幾個(gè)部分：中央處理器、解碼器、存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)地核心。它運(yùn)行MP3的整個(gè)控制程序，也稱為fireware（或者固件程序）。解碼器是芯片中的一個(gè)硬件模塊，或者說(shuō)是硬件解碼（有的MP3播放機(jī)是軟件解碼，由高速中央處理器完成）。存儲(chǔ)設(shè)備是MP3播放機(jī)的重要部分，通常的MP3隨身聽都是采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（FLASH MEMORY）或者硬盤（HDD）作為儲(chǔ)存設(shè)備的[11]。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(lái)管理存儲(chǔ)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(jī)通訊端口是MP3播放機(jī)與PC機(jī)交換數(shù)據(jù)的途徑，PC通過(guò)該端口操作MP3播放機(jī)存儲(chǔ)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(gè)規(guī)范：USB通信協(xié)議、大容量移動(dòng)存儲(chǔ)器規(guī)范和SCSI協(xié)議[1315]。這里要介紹一下數(shù)字音頻信號(hào)。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(hào)是對(duì)模擬信號(hào)的一種量化，典型方法是對(duì)時(shí)間坐標(biāo)按相等的時(shí)間間隔做采樣，對(duì)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(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)相應(yīng)抽樣點(diǎn)的振幅值，按順序?qū)⑦@些數(shù)字排列起來(lái)就是數(shù)字音頻信號(hào)了。MP3解碼器解碼后的信息屬于數(shù)字音頻信號(hào)（數(shù)字音頻信號(hào)有不同的格式，最常用的是PCM和I2S兩種），需要通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)才能推動(dòng)功放，被人耳所識(shí)別。采樣是指用每隔一定時(shí)間間隔的信號(hào)樣本值序列來(lái)代替原來(lái)的時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)；量化是用有限個(gè)幅度近似表示原來(lái)的時(shí)間上連續(xù)變化的幅度值，把模擬信號(hào)的連續(xù)幅度變?yōu)橛邢迶?shù)量、有一定時(shí)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。模擬音頻信號(hào)低通濾波器編碼數(shù)字流采樣量化圖21音頻信號(hào)數(shù)字化數(shù)字音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)處理、記錄或傳輸后，當(dāng)需要重現(xiàn)聲音時(shí)，還必須還原為連續(xù)變化的模擬信號(hào)。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(gè)時(shí)間上連續(xù)變化的模擬信號(hào)取出若干個(gè)有代表性的樣本值，來(lái)代表這個(gè)連續(xù)變化的模擬信號(hào)。一般的采樣是按照均勻的時(shí)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(hào)最高頻率的2倍。 （21）因此，可由離散信號(hào)完全確定頻譜，如公式（22）所示。三、音頻量化采樣把模擬信號(hào)變成了時(shí)間上離散的樣值序列，但每個(gè)樣值的幅度仍然是一個(gè)連續(xù)的模擬量，因此還必須對(duì)其進(jìn)行離散化處理，將其轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散值，才能最終與數(shù)碼來(lái)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(gè)量化階的集合，把凡是落入某個(gè)量化階內(nèi)的采樣值都賦予相同的值，即量化值。存儲(chǔ)數(shù)字音頻信號(hào)的比特率為：，其中的是采樣率，N是每個(gè)采樣值的