基于DSP技术的MP3播放器的研究与设计

摘要：随着数字编解码及压缩技术的发展，语音文件也朝着高压缩比、高保真的方向发展，从MP1、MP2到目前的MP3格式。本文设计了一种廉价基于DSP的MP3播放器，利用硬件存储语音文件，并能够从PC 机下载，从而可以随时更新MP3音乐。该MP3播放器同时附加了文本阅读的功能，可做到语音和文本的同步输出。

关键词： MP3播放器 DSP 编码

前言

现在市场上推出了各种型号的MP3随身听，它们采用先进的智能控制技术，利用先进的芯片，不仅实现了MP3格式语音的播放，而且集多种功能于一身。但这些精巧的随身听价格较昂贵，因此本文根据要求设计了一种廉价MP3播放器，利用硬件存储语音文件，并能够从PC 机下载，从而可随时更新MP3音乐。该MP3播放器同时附加了文本阅读的功能，可做到语音和文本的同步输出。

MP3播放器的工作原理

MP3全称是MPEG Audio Layer 3，MPEG压缩格式是由运动图像专家组（Motion Picture Experts Group）制定的关于影像和声音的一组标准，其中MP3就是为了压缩声音信号而设计的是一种新的音频信号压缩格式标准。CD唱片采样率频率为44.1MHz, 16Bits, 数据量为1.4Mbps，而相应的MP3数据量仅为112kbps或128kbps，是原始数据量的1/12。也就是说传统的一张CD现在可以存放10倍甚至更多容量的音乐，但是在人耳听起来, 感受到的音乐效果却没有什么不同。 MP3随身听的工作原理，其实很简单，就是利用控制芯片（CPU），控制解码芯片和LCD液晶屏，由解码芯片把内置闪存或是外插闪存卡之中的MP3文件或WMA格式文件解码，然后经数模转换，最后从耳机输出。

MP3播放器利用数字信号处理器DSP（Digital Sign Processer）来完成处理传输和解码MP3文件的任务的。DSP掌管随身听的数据传输，设备接口控制，文件解码回放等活动。DSP能够在非常短的时间里完成多种处理任务，而且此过程所消耗的能量极少（这也是它适合于便携式播放器的一个显著特点）。

首先将MP3歌曲文件从内存中取出并读取存储器上的信号→到解码芯片对信号进行解码→

通过数模转换器将解出来的数字信号转换成模拟信号→再把转换后的模拟音频放大→低通滤波后到耳机输出口，输出后就是我们所听到的音乐了。

MP3播放器系统构成

MP3播放器系统结构由图1所示，根据MP3播放器特点要求选择了TI公司的TMS320VC5402芯片，该DSP芯片优越的效价比既可充分胜任本设计的信号处理又能满足本设计要求的价廉目的。而主机选用功能较强的ATC51芯片。设计原理上，C5402芯片的信号处理部分和C51的智能控制部分来分别完成电路设计，并相应制作两块PCB，可以明确设计思路，实物的大小也减半。MP3播放器系统选用大容量的FLASH MEMORY作为主存储器硬件存储语音文件，DSP程序也存储在FLASH中，运行时再引导到DSP的高速RAM，从而省去DSP芯片部分的程序存储空间。利用串口通信电路可以实现由PC机下载语音文件功能，利用液晶显示屏LCD，还可以从pc机下载小说并在LCD上阅读。

DSP、MPU硬件设计

DSP扩展了一片K字高速静态RAM(CY7C1021V33-10)，作为DSP芯片的片外RAM，用以适应各种音频处理算法对存储器容量的要求。

DSP芯片处理后的信号由D/A输出到耳机，我们就可听到MP3音乐。D/A变换由LM4545实现，它具有48K字转换速度，可直接和DSP芯片的输出相连。

而MPU主要完成三项功能，分别是LCD显示，控制DSP芯片的运行和文件的串口下载。C51与29F040B的连接电路如图2所示。 MP3解码的DSP实现 MP3 文件的格式

MP3是目前世界上最流行的音频格式之一，其采用了MPEG -1 Ⅲ层标准压缩编码格式。遵循MP3标准的音乐具有很高的压缩率和较高的保真度，其压缩比可达1：10 ～12，即1分钟CD音质的音乐经过MP3压缩编码后，可以压缩到1兆左右而基本保持不失真。MP3的压缩率很高，失真也较小，但它的算法也较为复杂。MP3文件的内容是音频位流数据文件，它由若干个数据帧组成，每个数据帧的构成如图6所示。每帧中的音频数据含有1152个原始音频信号的采样信息，并且经过霍夫曼编码形成。数据帧的其它内容分别为：

头标信息：音频位流的一部分，它包含同步和状态信息。校验字:音频位流的一部分，它包辅助信息：音频位流的一部分，它包含每帧中可用于解码的相关信息。

缩放因子信息：音频位流的一部分，它包含用于计算音频数据量化比例因子的信息。

霍夫曼编码数据：音频位流的一部分，它包含每帧中所有原始音频采样数据的霍夫曼编码。

附加数据：音频位流的一部分，它可包含一系列用户定义的辅助数据。

投标信息 霍夫曼编码数据 检查字 主要数据 缩放因子信息 音频数据 辅助信息 附加数据

解码流程

LayerⅢ采用了较复杂的比特流结构。解码程序的流程图如图7所示。首先获得每一帧的同步字，取得头信息，从而获得各相应参数，根据对头信息的解析进而得到实际的一帧音频数据。读取主数据获得比例因子数据，对样本进行解码，然后对解码样本顺序进行倒置，如果块类型(BlockSp lit_ type)和标志类型( Flag_typ)都为1时，对样本进行重新排序，根据边信息中霍夫曼码本的选择信息进行霍夫曼解码，然后进行反量化，根据帧头的立体声信息，对反量化结果进行立体声处理。最后通过混迭处理、IMDCT和合成滤波器重建数字音频信号

开始 解码样本 取位流，找到文件头 重定序量化样本 解码比特流格式信息 重新排序 解码比例因子 消除混迭 合成滤波器 IMDTC覆盖—相加合成 结束

结语

该MP3播放器基于DSP技术，采用慢速大容量外存加高速小容量外存的组合方式，音乐文件先从慢速外存下载至高速外存再载入DSP的高速RAM，下载一部分处理一部分。采用与PC机的串口通信方式实现文件的下载速度较慢，也可利用USB接口进行高速的通信。另外系统中连接的电话线可充作电话的录音。

实践证明，这种方法设计的MP3播放器成本较低，同时附加文本阅读的功能做到语音和文本的同步输出，能满足特殊的需要。 参考文献:

[1 ]廖日坤 李宁宇 黄小惠 基于DSP技术的MP3播放器的研究与设计 南开大学信息学院