1、毕业设计开题报告 电子信息工程 Mp3 的编解码设计与实现 1 选题的背景、意义 由于 MP3 的流行，近年来 MP3 播放器被广泛 地 应用于各种消费类 的 电子设备 当 中，以满足市场激烈竞争的需要。由于 MP3 的编码算法复杂程度较高，硬件编码器 还 没有广泛 地 进入市场。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。世界上第一款 MP3-MPMAN F10 播放器是由韩国 SAEHAN 在 1998 年推出 的。由于采用了闪存作为存储介质，不存在任何机 械运动结构，和传统的播放器 相比，具有便携、抗震
2、等优点。 MP3 的发展到 2003 年是一个阶段，而当 2004 年第一款闪存式彩屏 MP3 发布后，将此类产品带进了一个新的音画时代 。 虽然 MP3 的发展时间不长，但它为人们的生活带来了巨 大的变化，为电子产品的市场掀起了新 热潮 。它 引领着时尚和个性化趋势，为市场的发展和消费者个性化的需求起 到 了不可忽视的作用。 今后，它将拥有更多更好的功能，以供我们更方便快捷地运用，为我们的生活带来更多的色彩。 2 相关研究的最新成果及动态 目前 MP3 的设计有基于单片机的 MP3，基于 ARM 的嵌入式 MP3 和基于DSP 的 MP3 等。单片机是将 CPU，运算器，控制器，多种 IO
3、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 1。 DSP采用的是哈佛设计，即数据总线和地
4、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。 MP3 外观看似小巧简单，其构造、制作却相当复杂。制作 MP3 可分为三大流程：购买元器件， SMT 贴片，装配成品 2。其中元器件包含主控芯片， FLASH芯片，电容，电阻等。目前全世界只有两家厂家能生产 FLASH 芯片：东芝和三星。 MP3 播放器的组成主要可以分为解码芯片、晶振、电路板、存储器和外壳模具。 MP3 解码芯片 的作用就是将存储在介质上的 MP3 文件解码。它是影响MP3 的音质表现的决定 性 因素，是 MP3 工作中最重要的一环。 MP3 存储介质主要分成 3
5、类：硬盘式 ， 插卡式 ， 以及闪存式。外观模具是用来吸引顾客的主要途径。晶振的作用是触发波形。 PCB 板的做工直接影响 MP3 的寿命。 随着 MP3 功能趋近于相似，淘汰速度也越来越快。但有些技术会是一直被优先考虑的。屏幕清晰度比屏幕大小更重要。同分辨率的产品，屏幕越大，清晰度反而减小。独立音频解码系统。在接收到数字讯号相同的情况下， D/A 的好坏直接决定着播放器的音质。超薄，时尚更长久。让时 尚与高工艺结合，更能受到青睐。 FLV 是新兴的在线视频所采用的格式，解决了其它一般视频文件需要挑选播放器的问题。 USB HOST，就是在 MP3 上多出一个 USB 接口，可以方便接入其他
6、USB 设备。 在 MPEG 音频的编解码标准中 ， 解码采用的是动态的去窗和 IMDCT 以达到较高的声音效果。由于 IMDCT 在应用中的运算量特别大 ， 所以如果直接进行计算将是一份耗时耗力的工作 ， 所以一种高效的算法在 MP3 解码中是十分必要的 3。在实际应用中 ， 并行的要比串行的效率要高 ， IMDCT 可以通过并行滤波网络来实现 。 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 4。根据检验结果， MP3作为听诊器可以更
7、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。 凡事 都有两面，既然它有利的一面，自然也有弊的一面。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 5。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。 最新研究显示，下载 MP3 比购买 CD 要环保得多。美国的一项最新研究给出答案：购买 CD 所产生的碳排放，差不多是网
8、上下载同一张唱片的 6 倍 6。 MP3 的发展初期，市场还处于缓慢增长阶段，随着 IT 产品利润的不断下滑，而 MP3 的利润丰厚，因此 MP3 市场总量迅速扩大，成为 IT 行业新的增长点 7。目前， MP3 以不可比拟的优势占据着传统数码音乐消费市 场。 可以预见 MP3 行业方向或趋势先是小规模经销，再形成专业市场。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 内容： 基于 DSP 实现 MP3 解码系统的设计，采用高性能的立体声音频 Codec芯片 TLV320AIC23 作为音频信号数模转换 ， DSP 的两个 McBSP 与其连接，分别作为配置接口
9、和音频数字接口，配置接口设置为 SPI 模式。 USB 与 DSP 接口实现 MP3 数据流与 PC 机之间的上传与下载，存取 MP3 文件方便 ， 存储 MP3文件的媒介选取大容量的存储设备 CF 卡，系统选用可编程逻辑器件 CPLD 控制USB 及 CF 卡的读写和片选。实验证明该系统可以高质量完成 MP3 解码、播放。 方法： 连接硬件框图，明确各芯片接口设计。 对于定点 DSP， MP3 解码主要的运算量集中在 huffman 解码、反量化、 IMDCT 变换、子带合成四个模块中 。对各个模块的算法优化有助于将设计简易化。最后实现 MP3 的整体设计。系统硬件框图如图 1 所示。解码流
10、程图如图 2 所示。 USB 即为通用串行总线。具有传输速度更快，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，两边两个针给外设供电 8。 USB 接口作为与 PC 机进行通讯接口，可以在 PC 机下载、上传 MP3。 CPLD，复杂可编程逻辑器件。 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。 CF 卡，是一种尺寸仅相当于火柴盒的小型可插拨大容量存储设备。它作为存储 MP3 文件的媒介。 DSP（ digital singnal proce
11、ssor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。 DSP 芯片的内部采用程序和数据分开的 哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，可以用来实现各种数字信号处理算法。精心设计的 DSP 必须为有效的数据传输而进行优化，以保证宝贵的计算周期不会浪费 9。在 MP3 中它用来进行各种复杂的运算。 D/A，数模转换，就是把数字格式的音乐，通过一次 D/A 转成模拟信号输出。将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器。这里将数字信号转化为模拟信号的音乐格式，输出音乐。 MP3 播放器中采用了 HPI 口方式。由于在硬件上 HPI 引脚与 DSP
12、的数据、PC USB 接口 CPLD CF 卡 D/A DSP 图 1 地址总线是相互独立的，而 HPI 口内部又 有控制机制，所以外部主机通过 HPI口访问 DSP 内部 RAM 是不会影响 DSP 的正常运行的。由 HPI 口的硬件特性自动协调读写访问冲突，实现了零软硬件开销访问 DSP，同时在高级语言下完成了对 DSP 应用系统的在线监控，解决了 DSP 系统在线监控不便实现的困难 10。 在多媒体数据的压缩中 ， 一项广泛应用的编码技术就是熵编码。作为重要的熵编码 ， 霍夫曼编码可以通过消除统计的冗余数据来达到无损压缩的目的 11。霍夫曼编码的基本方法是 ， 先对图像数据扫描一遍，计算
13、出各种像素出现的概率，按概率 的大小指定不同长度的唯一码字，由此得到一张该图像的霍夫曼码表。编码后的图像数据记录的是每个像素的码字，而码字与实际像素值的对应关系记录在码表中 12。霍夫曼编码是可变字长编码 (VLC)的一种。 Huffman 于 1952 年提出一种编码方法，该方法完全依据字符出现概率来构造异字头的平均长度最短的码字，有时称为最佳编码，一般就称 为 Huffman 编码。 huffman 解码得出的是一组经不规则量化及排序处理后的数据 ， 对数据进行重新排序后 ， 要对其进行反量化。反量化遵循公式 13： 开 始 读 入 数 据 读 取 头 文 件 霍 夫 曼 解 码 重排序及
14、反量化 消 除 混 迭 IMDC 变 换 频率反转子带合成 结 束 图 2 sgxabsxs i g ny 2104134 2 其中 x 为反量化前的输入数据 ， y 为反量化后的数据 ， g 为全局衰减因子 ， 包含在边信息中 ， s 是归一化的比例因子。 滤波器组是现代通信与信息处理领域的一种新的技术。在滤波器组的理论中，在完全消除混迭的前提下，保证幅度与相位特性不失真 。通过分析最大抽取均匀滤波器组中产生的混迭分量，适当设定综合滤波器与分析滤波器的关系 来使混叠相互抵消 14。如果相邻滤波器的频率特性对称性较好 ， 可使总混迭很小，在频率交界点可能将混迭完全消除。 经过混迭消除后的信号便
15、要进行 IMDCT 变换。 MP3 解码算法中使用反向修正离散余弦变换 IMDCT(Inverse Modified Discrete Cosine Transform)将输入数据从频域变换到余弦域，对子带滤波进行补偿运算 15。 ISO 标准解码代码里， IMDCT变换的算法没有进行优化。解码软件效率评估得到的数据表明， IMDCT 过程的运算量占到了整个解码运算总量的 19。若将 IMDCT 算法改进，则运算过程得到简化，乘法数量大大减少，从而提高系统性能。 频率的反转用来补偿编码时为提高 IMDCT 变换效率而进行的频率反转。子带合 成是 IMDCT 变换后经过一系列运算还原 PCM 数
16、字音频信号的过程。 难点： 在解码过程中，在一帧数据中要进行的如反量化、 IMDCT 变换、子带合成等复杂的运算。 IMDCT 的算法优化也是一个难点。 MP3 解码算法十分复杂 ， 优化问题既要考虑实时播放性能、又要考虑芯片的存储容量 。系统软件包括PC 机上的软件和 DSP 执行的软件： PC 机上软件主要功能是引导 DSP 的程序装载，存取 MP3 编码比特流； DSP 的软件主要功能是对板上资源进行初始化和控制，确定系统工作方式，实现 MP3 编解码的算法。 了解各芯片的功能结构，正确将 各个接口芯片相连接；用简单易懂的程序将音频解码并使其实现功能。 预期目标： 基于 DSP 的 MP
17、3 实时解码系统 ， 以高速数字信号处理器为核心 ， 通过对 DSP 的编程来实现 MP3 实时解码 ， 具有高速 、 灵活 、 通用的特点 。完成各连接框图及时序图，实现 MP3 的解码。 4 研究工作详细进度和安排 2011 年 1 月 11 日 2011 年 3 月 5 日 整理相关资料，确定系统完成的主要功能，绘制系统的流程图。完成开题报告； 2011 年 3 月 5 日 2011 年 4 月 8 日 进行详细的系统分析，完成电路的设计，每周汇总情况、问题 和进度一次，各人随时可通过电话、 ICQ 或 E-MAIL 联系。开始撰写论文大纲及初稿； 2011 年 4 月 9 日 2011
18、 年 5 月 3 日 系统开发、代码设计、系统调试、修改及优化阶段。 2011 年 5 月 4 日 2011 年 5 月 26 日 完成毕业论文并提交； 2011 年 5 月 27 日 2011 年 5 月 29 日 毕业论文答辩 。 5 参考文献 1 ARM、 DSP、 FPGA 的技术特点和区别 .嵌入式学院 .2008.6 2 MP3 产业链调查：全面揭开制造真相 .电脑商情报 .2004.8 3 IMDCT 在 MP3 音频解码中的实现 .今日电子 .2002.1 4研究显示 MP3 可能替代听诊器看病 .东方早报 2007.9 5 Will Dunham .MP3 player he
19、adphones may hinder pacemakers: study WASHINGTON . Sun Nov 9, 2008 6下载 MP3 比购买 CD 要环保得多新闻晨报 .2009.11 7百花争艳： 2004 年 MP3 发展回顾 2005.2 8 USB 通用串行总线接口 :它的作用是什么 .乌鲁木齐在线 .2010.11 9 DSP 体系结构在提高实时 信号处理方面的作用 .期刊论文 -电子产品世界 .1998.11，第 11 期 :69-70 10邓思豪，曾春年 .C54X DSP 的 HPI 口与 PC 机并口的接口技术 .期刊论文 -系统工程与电子技术 .2004 年
20、 11 期 11 宋奇刚，魏小义 .霍夫曼解码器的设计及在 MP3 解码中的应用 .期刊论文 -今日电子 .2005 年 03 期 12 霍夫曼解码器的设计及在 MP3 解码中的应用 .中国学术期刊网络出版总库 .2005.8 13王潮营，郭黎利 . 基于 DSP 的 MP3 实时解码系统的设计与实现 . 信息技术 第 28 卷第 8 期 2004.8 14 李学斌，刘泽民 多滤波器组消除混迭的一种方法 期刊论文 -北京邮电大学学报 .2002年 03期 15 ZHANG Wei,LIU Peng, ZHAI Zhi-bo.A hardware/software co-optimization approach for embedded software of MP3 decoder. Zhang et al. / J Zhejiang Univ Sci A 2007， 8（ 1） ： 42-49
