1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） Mp3 的编解码设计与实现 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 Mp3 的编解码设计与实现 1 摘 要 随着 DSP（数字信号处理器）技术的不断发展，计算速度的不断提高，功能的不断增强，可以开发基于 DSP 的实时编解码系统。 系统硬件部分：音频信号数模转换采用立体声音频 Codec 芯片TLV320AIC23，它的模 /数转换器 (ADC)和数 /模转换器 (DAC)集成在芯片内部，输出信噪比较高，且具有很低的功耗。 TMS320C5409 是 16 位的定点 DSP 芯片，具有哈佛结构，流水线操作
2、，多处理单元等特点，这些特点使其具有高运行速度和灵活的操作性。 USB 接口作为与 PC 机进行通讯的接口，可以在 PC 机下载、上传 MP3。 CF 卡为外存储设备。 系统软件部分：利用 C 语言编写功能软件，包括初始化程序，编解码程序等。采用数字音频压缩编码技术实现音 频信息的处理、传输和存储，从而获得高质量的编码效果。 关键词： DSP，编解码，音频压缩 Mp3 的编解码设计与实现 2 The Design And Implementation Of MP3 Codec Abstract With the development of the digital signal process
3、or technology and Continuously improved of the calculation speed,and the increasing function,we can develop the digital signal processor which based on real-time encoding and decoding system. Hardware of the system:Audio DAC use the Codec chip TLV320AIC23 with stereo.Its ADC and DAC integrated insid
4、e the chip and it have high output SNR,low power consumption.TMS320C5409 is a 16-bit fixed-point DSP chips.It have the features as Harvard architecture,pipelining,multiple processing units and so on . These characteristics make it a high speed and flexible operation.USB is used toCommunicate with th
5、e PC as a interface,which can download and upload the mp3.CF card is a external storage device. Software of the system:Using the C language compile the function software,which including initialization procedures,coding and decoding process and so on.Use the digital audio compression coding technolog
6、y for audio information processing,transmission and storage,then access to high quality effect of encoding. Keywords: DSP， Codec, Audio compression Mp3 的编解码设计与实现 3 目录 1.1 课题的背景 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 MP3 的编解码设计的国内外发展现状 . 1 1.3.1 MP3 的研究现状 . 2 1.3.2 MP3 应用的研究现状 . 2 1.3.3 音频编解码的研究现状 . 2 1.4 课题研究的主要内容 .
7、 3 2 设备方案设计与总体设计 . 1 2.1 音频编解码原理 . 1 2.2 方案评价 . 1 3 设计计算和校核 . 16 3.1 MP3 编码的计算 . 16 3.2 MP3 解码的计算 . 19 4 设计说明 . 23 4.1 TMS320C54xDSP 的流水线操作技术的说明 . 23 4.2 设计中注意事项的说明 . 23 4.3 相关专业名词的说明 . 23 结论 . 25 参考文献 . 26 致谢 . 错误 !未定义书签。 Mp3 的编解码设计与实现 1 1 绪论 1.1 课题的背景 电子技术是 19 世纪末、 20 世纪初开始发展起来的新兴技术，其发展速度和广泛的应用令人叹
8、为观止。 21 世纪是一个信息社会，主要是微电子技 术和电子计算机、因特网等的发展。现代电子技术在各个领域都起着重大的作用，人们一天也离不开它。电子技术的快速发展对国民经济和人们的生活质量都有巨大的影响，成就了当今高度发展的物质文明和精神文明。 随着电子行业的发展，各种各样的电子产品也相继推出。 MP3 作为其中一项重要而时尚的电子产品也在短短十几年里有了翻天覆地的变化。它的发展速度在相应电子业当中也处于领先地位。不管是外形、内存、音质还是屏幕都在不断地发展进步中。 现在人们主要希望其音质和容量能够更完美。目前主流的MP3 播放器使用的是由硬件实现的音频解码。而用 软件实现音频解码能够降低功耗
9、，增大容量，使 MP3 的发展更进一步。 1.2 课题的意义 由于 MP3 的流行，近年来 MP3 广泛地应用在各种消费类的电子产品当中，以满足市场激烈竞争的需要。随着 MP3 的技术不断进步，现如今各商家考虑的是选用何种平台以实现 MP3 的低成本和低功耗。目前 MP3 虽然在在外观、大小上已深得人心，但在容量和音质等技术性问题上还有待提高。要实现大容量和高音质需要选取适合的软件平台处理这些问题。 DSP 是进行高速实时处理的专用处理器。在现今的数字化时代背景下， DSP已成为通信、计算机和消费类电子产品等 领域的基础器件。在数字化、个人化、网络化的推动下， DSP 市场正处于高速成长的阶段
10、。 DSP 的广泛应用使得消费类电子产品的更新换代异常迅速。虽然理论上浮点 DSP 的动态范围比较大，更适合于 DSP 的应用市场，但定点运算的 DSP 的成本较低，耗电较省，对存储器的要求也比较低，所以定点 DSP 是市场的主流产品。 1.3 MP3 的编解码设计的国内外发展现状 MP3 是一种数字音频编码和有损压缩格式，它设计用来大幅度地降低音频数据量。 MP3 的编解码设计目的是保证高质量、低功耗等的前提下，以较少的空间对音频进行编解码。音频编码的原 理是音频压缩编码标准采用了心理学算法，利用感知模型删去那些听觉不灵敏的声音数据，而使重建的声音质量无明显下降 1。目前 MP3 的设计有基
11、于单片机的 MP3，基于 ARM 的嵌入式 MP3Mp3 的编解码设计与实现 2 和基于 DSP 的 MP3 等。单片机是将 CPU，运算器，控制器，多种 IO 接口集成在一起的一种芯片。它体积小，集成度高，性能稳定，可靠性高，性价比较高。因此基于单片机的 MP3 较简单，能实现基本功能，但效率和性能并不高。 ARM和 DSP 都属于嵌入式。 ARM 处理器的三大特点是：耗电少、功能强， 16 位 /32位双指令集和众多合作伙伴。 ARM 是一个高端 的单片机，是一种 32 位的单片机，速度比 51 单片机快很多，内部资源也很丰富，可以实现较为复杂的控制功能。 ARM 在控制功能上比较强大，但
12、在数据处理这方面不如 DSP。 DSP 是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。 DSP 采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。这大大的提高了微处理器的速度。 1.3.1 MP3 的研究现状 电子行业在国内正处于发展期，很多电子产品都陷入了模仿的误区，没有真正实现研制出自己的产品 。 MP3 行业中这种现象更是变本加厉。而国外的商家在外观、体积等方面都在不断地推陈出新，发展自己的品牌，拥有各自的特点。国内的厂家只关注在外观的相似，其质量却不堪一击， MP3 播放器中的芯片通常是以次充
13、好，没有真正的把研究目标定在 MP3 中看不见但却至关重要的部分。 MP3 发展的趋势是支持大码率、多种音乐格式文件和大容量存储。 1.3.2 MP3 应用的研究现状 国外最新研究显示， MP3 更适合当听诊器。根据加拿大研究人员的检验，MP3 的塑料外壳更加容易引起低音共鸣，从而使得胸腔内壁的回音可以听得更加清晰，且更方便记录 ，因此 MP3 更加适合当作听诊器 2。根据检验结果， MP3作为听诊器可以更加准确地记录听到的声音，也许以后可以在医院里见到带着MP3 看病的医生们了。 美国最新的一项研究显示，长时间使用 MP3 耳机收听音乐，可能影响心脏病病人植进体内的起搏器和电震发生器的正常使
14、用。据报道， MP3 音乐播放器本身并不对心脏起搏器或电震发生器等产生影响，但由于耳机中存在强磁场，假如磁场与上述设备的间隔在 1.2 英寸以内，有可能紊乱其调节功能 3。另一项研究结果显示，蓝牙耳机一般不会对起搏器造成干扰。 1.3.3 音频编解码的研究现状 随着多媒体技术的发展，电子、通讯、计算机和娱乐相互融合、渗透，数字音频技术则成为其应用最为广泛的技术之一。人们对音频质量的期望不断提升，音频编解码技术受到越来越多的重视。 MP3 编解码算法作为数字音频的解Mp3 的编解码设计与实现 3 决方案，在便携式多媒体产品中得到了广泛流行 4。音频编码的主要目的就是在保证一定重构质量的前提下，以
15、尽量少的比特数来表征音频信息 5。音频编码技术主要分为两类：基于线性预测技术的混合编码和基于变换的感知音频编码。感知音频编码通常基于心理声学模型采用变换域波形编码方法，它所需的编码比特率比较高，适合对音乐 信号编码，如 MP3、 AAC 等 MPEG 系列音频编码标准。近几年来，音频编码技术继续研究着如何进一步提高压缩率和抗误码特性，又不断的向无损编码、可伸缩编码、空间音频编码等分支方向发展。我国在该领域的研究起步较晚，研究基础薄弱，主要集中于高质量感知音频编码和低速率移动音频编码等。 1.4 课题研究的主要内容 课题研究的主要内容安排如下： 第一章 介绍了课题研究的背景、意义和发展现状。 第
16、二章介绍了 MP3 编解码原理和总体设计等。 第三章介绍了 MP3 编解码的计算。 第四章对整个设计中的一些知识点进行了说明 最后进行了总结 Mp3 的编解码设计与实现 1 2 设备方案设计与总体设计 2.1 音频编解码原理 现如今数字信号处理技术已广泛地深入到各个领域中。其中语音处理是数字信号处理最活跃的研究方向之一，在多媒体通信中得到了广泛应用。音频信号是带有语音、音乐和音效的有规律的声波的频率、幅度变化信息载体 6。规则音频是一种连续变化的模拟信号，可用一条连续的曲线来表示，称为声波。音乐属于规则音频。音频信号的变化包括时域和幅度域的变化。计算机处理对象是数字信号，因此要对音频进行编码就
17、要对模拟信号进行采样和量化。为了增大容量和提高传输速度，必须对数据量进 行压缩。压缩方式分为有损和无损。MP3 的压缩实质上属于有损压缩。原始信号本身存在着冗余度，然后利用人类的听觉感知系统对某些失真不敏感的特性，即人耳的心理声学模型 7，使得数字音频信号得以压缩。人耳听觉频率的范围大约是 2020KHz，对 25KHz 的频率最敏感，越往高频感觉越不敏锐。如果有一个频率的音量很大，在它附近同时有一个比较弱的频率的话，比较弱的频率的声音就会被比较强的声音给遮蔽掉，人只能听到频率较强的那个声音。有了这些了解，我们就可以根据这些理论来压缩音频资料，把我们听不到的声音去掉。 2.2 方案评价 DSP
18、 实现方法具有实现简便、处理速度快、程序可 移植行强等优点，在许多领域得到广泛应用。 TMS320C54X 系列在音频处理方面有很好的性价比，能够解决复杂的算法设计和满足系统的实时性要 求 。立体声音频 CODEC 芯片TLV320AIC23 的模数转换和数模转换部件高度集成在芯片内 部，采用了先进的过采样 8技术。提高过采样比率可提高 A/D 转换器的精度。两者相配相得益彰。 2.3 MP3 编解码的总体设计 MP3 每帧有 1152 个采样，它支持采样率为 32kHz、 44.1kHz、 48kHz 的单声道和双声道等编码 模式，比特率从 32kbps 到 320kbps 不等。 MPEG
19、 音频是一种能够实现主观感受不出失真的音频压缩算法。 MPEG 音频压缩标准定义了三个层次。层 1 按帧进行编码。层 1 比特流数据由头部、 CRC（循环冗余校验）、比特分配信息、缩放因子索引、样本和附加数据组成。每一帧数据有 384 个样本，经过子带滤波器产生 32 个子带， 12 个样本构成一个子带。层 2 对每个子带分成三组进行编码，对比特分配、缩放因子和量化样本值的编码更紧凑。层3 使用了更精确的算法，使用改进离散余弦变换 MDCT 对滤波器组的不足做了Mp3 的编解码设计与实现 2 补偿。 MPEG 具有向上和向后 的兼容性。 MP3 是 MPEG-1 国际标准中音频压缩层 3 的简
20、称 ， 用 MPEG 层 3 算法压缩处理后的文件都称为 MP3 文件，能够对MP3 文件进行解码并播放声音的系统都可以被称为 MP3 播放器。 MP3 的简化工作原理可以概括为：先从内存中读取信息，并读取存储器上的信号，再对信号进行解码，然后将数字信号转换成模拟信号且放大，最后通过低通滤波后输出即可听到音乐了。 MP3 文件是由帧 (frame)构成的，帧是 MP3 文件最小的组成单位。帧是指在数据和数字通信中，按某一标准预先确定的若干比特或字段组成的特定的信息结构。我们通常说帧数 就是在 1 秒钟时间里传输的图片的帧数，也可以理解为图形处理器每秒钟能够刷新几次，通常用 fps（ Frame
21、s Per Second）表示 9。不同的是 MP3 里面的帧记录的是音频数据而不是图形数据。 MP3 的帧速度大概是 30 帧 /秒。 MP3 帧包括帧头、错误校验、音频信息和辅助数据。帧头是比特流中包含同步和状态信息的部分。错误校验在比特流中负责查错信息。音频信息是音频采样点信息的部分。辅助数据是用于辅助数据的部分。 如图 2.1 所示为 MP3 编解码设计的系统结构原理图。由图可知系统 的中心部分是 DSP 芯片，并与 USB 接口、 可编程逻辑器件 CPLD、外存储设备 CF 卡及音频转换器组成了整体。 1） DSP 芯片 我采用的 DSP 芯片是 TMS320C5409。 TMS32
22、0C5409 是定点 DSP 芯片，它采用先进的哈佛结构，具有八组总线，其程序 总线和数据总线相互独立，允许同时读取指令和操作数。 TMS320C5409 运算速度快，能够优化 CPU 结构，低功耗，具有多个智能外设。 2） USB 接口 USB 为通用串行总线。具有传输速度快，支持热插 拔以及连接多个设备的特点。 USB 接口是微机主板上的一个四针接口，其中中间 两个针传输数据，两PC USB 接口 CPLD CF 卡 CODEC DSP 2.1 系统结构原 理图 Mp3 的编解码设计与实现 3 边 两个针给外设供电 10。 USB 接口作为与 PC 机进行通讯接口，可以在 PC 机下载、上
23、传 MP3。 3） CPLD 复杂的可编程逻辑器件。 CPLD 提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。这里 CPLD 用于产生 CF 卡与 USB 接口芯片的片选以及控制其读写。 4） CF 卡 CF 卡，是一种尺寸仅相当于火柴盒的小型可插拔大容量存储设备。它是存储 MP3 文件的媒介。其结构框图如图 2.2 所示。 图 2.3为 DSP 与 CF 卡的硬件连接图。 图 2.3 DSP 与 CF 卡的连接图 5） CODEC 这里采用 立体声音 频 CODEC 芯片 TLV320AIC23。音频 CODEC 是音频数据播放的通道，通过 SPI 方式与 DSP 的高速缓冲串口相连。工作时 DSP 首先对Control Data In/Out 控制器 存储模块 主机模块 图 2.2 CF 卡结构框图
