基于DSP的MP3解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字視頻和圖像處理的發(fā)展,數(shù)字音頻技術(shù)也正在提高,尤其是以ISO/IEC為基礎(chǔ)的MPEG技術(shù)。MP3是MPEGAudioLayerⅢ的縮寫,它是Hi-Fi級(jí)音頻壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。目前,市場(chǎng)上的MP3解碼基本上都是采用專用芯片解碼,采用專用芯片解碼體積大,支持的音頻格式有限。我們采用在DSP芯片上用C語言進(jìn)行軟解碼,軟解碼比較靈活,可移植性好,易于升級(jí),解碼質(zhì)量可通過軟件參數(shù)設(shè)定,通用性好。

硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DSP的MP3解碼系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示,我們采用了低功耗的DSP芯片TMS32VC5416進(jìn)行軟件解碼,32M的CF卡作為存儲(chǔ)MP3文件的媒介,USB接口作為與PC機(jī)進(jìn)行通訊接口,傳輸數(shù)據(jù)速度快,可以在PC機(jī)下載、上傳MP3,可編程邏輯器件CPLD(選用EPM7128SL84)用于產(chǎn)生CF卡與USB接口芯片的片選以及控制其讀寫。

TMS320VC5416定點(diǎn)DSP

TI公司的TMS320VC5416定點(diǎn)運(yùn)算數(shù)字信號(hào)處理器(DSP),其功耗低,性能高,內(nèi)部采用一種改進(jìn)型的哈佛總線結(jié)構(gòu):一條程序總線,3條數(shù)據(jù)總線,數(shù)據(jù)總線寬度為16位。分開的數(shù)據(jù)和指令空間使該芯片具有高度的并行操作能力,在單周期內(nèi)允許指令和數(shù)據(jù)同時(shí)存取,再加上其高度優(yōu)化的指令集,使得該芯片具有很高的運(yùn)算速度,最高可達(dá)160MIPS。

音頻傳輸、播放系統(tǒng)

TLV320AIC23介紹

D/A采用TLV320AIC23芯片,TLV320AIC23(以下簡(jiǎn)稱AIC23)是一款高性能的立體聲音頻Codec芯片,內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器,支持MIC和LINEIN兩種輸入方式(二選一),且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。AIC23的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DACs)部件高度集成在芯片內(nèi)部,采用了先進(jìn)的Sigma-delta過采樣技術(shù),可以在8K到96K的頻率范圍內(nèi)20、24bit和32bit的采樣,ADC和DAC的輸出信噪比分別可以達(dá)到90dB和100dB。與此同時(shí),AIC23還具有很低的能耗,回放模式下功率僅為23mW,省電模式下更是小于15uW。由于具有上述優(yōu)點(diǎn),使得AIC23是一款非常理想的音頻模擬I/O器件。

AIC23與DSP的數(shù)字音頻接口設(shè)計(jì)

DSP與AIC23連接如圖2所示,利用USB1.1接口器件PDIUSBD12可編程的時(shí)鐘頻率輸出12M作為立體聲音頻Codec芯片AIC23的時(shí)鐘輸入CLK12M。AIC23的配置接口支持IαC模式,也支持SPI模式,系統(tǒng)采用DSP的一個(gè)McBSP用SPI模式跟AIC23連接。DSP配置為主模式,AIC23配置為從模式。AIC23輸出串行數(shù)據(jù),DSP的MCBSP串口6個(gè)引腳使數(shù)據(jù)通路和控制通路與AIC23相連。數(shù)據(jù)由BDX0、BDR0傳輸,同步信號(hào)的控制由BFSX0、BFSR0、BCLKX0來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字音頻接口采用DSP模式,該模式與TI公司DSP的MCBSP串口兼容,該模式時(shí)序如圖3。由圖知,在LRCIN/LRCOUT信號(hào)的下降沿開始進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,先左聲道數(shù)據(jù)傳輸,然后右聲道數(shù)據(jù)傳輸。

DSP需要處理來自和發(fā)向AIC23的數(shù)據(jù),從而達(dá)到采集和播放聲音。McBSP與CPU通信用DMA方式,通過DMA收到或發(fā)送完一組單元,再給CPU中斷。采用DMA的方式,即串口每發(fā)送或接收到一個(gè)單元,都會(huì)自動(dòng)觸發(fā)DMA將其搬送到一個(gè)內(nèi)部的Buffer,等Buffer滿了再通過中斷方式告訴CPU處理。在DMA的中斷服務(wù)程序中為了可靠可以把這個(gè)Buffer的數(shù)據(jù)再拷貝到另一個(gè)待處理的空間,即兩級(jí)Buffer,然后置標(biāo)志位,CPU在主程序中查詢標(biāo)志位然后作出相應(yīng)的處理。DMA操作的Buffer可以通過寄存器配置。

USB接口實(shí)現(xiàn)

USB接口采用高性能、并行總線的USB接口器件PDIUSBD12(以下簡(jiǎn)稱D12),D12符合通用串行總線USB1.1版規(guī)范,可與DSP微控制器實(shí)現(xiàn)高速并行接口,D12與DSP連接如圖4所示。

由CPLD產(chǎn)生D12的片選、以及控制對(duì)D12的讀寫;ALE接低電平,表示一個(gè)獨(dú)立的地址和數(shù)據(jù)總線配置;D12的A0腳與DSP的A0相連,控制D12的命令和數(shù)據(jù)狀態(tài)。

CF卡接口設(shè)計(jì)

CF卡是一種小型化、大容量、低功耗、智能型的存儲(chǔ)媒體,在便攜式設(shè)備中應(yīng)用廣泛。以FlashMemory(閃爍存儲(chǔ)器)為主要載體,內(nèi)部用微處理器進(jìn)行時(shí)序控制和存儲(chǔ)管理。CF卡與DSP連接如下圖5所示。

CF卡的A3～A0為數(shù)據(jù)、命令、或狀態(tài)寄存器地址線,D15～D0為數(shù)據(jù)總線,可16位或8位訪問,當(dāng)片選信號(hào)CE1#和CE2#同時(shí)為低電平時(shí),為16位訪問格式;當(dāng)CE1#置高,CE2#為低電平時(shí),為8位訪問格式。CF的存取方式有三種:Memory方式、I/O方式、TrueIDE方式,該系統(tǒng)中CF卡工作模式選取上電默認(rèn)方式,即:Memory方式,片選CE1#、CE2#由可編程邏輯器件EPM7128SL84對(duì)DSP的8位地址A15～A22譯碼產(chǎn)生。CF卡工作電壓為5V或3.3V,設(shè)計(jì)選用3.3V工作電壓,便于數(shù)據(jù)輸出與地址可直接與DSP相接。

MP3解碼的DSP實(shí)現(xiàn)

MP3文件的格式

MP3是目前世界上最流行的音頻格式之一,其采用了MPEG-1Ⅲ層標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼格式。遵循MP3標(biāo)準(zhǔn)的音樂具有很高的壓縮率和較高的保真度,其壓縮比可達(dá)1:10～12,即1分鐘CD音質(zhì)的音樂經(jīng)過MP3壓縮編碼后,可以壓縮到1兆左右而基本保持不真。MP3的壓縮率很高,失真也較小,但它的算法也較為復(fù)雜。MP3文件的內(nèi)容是音頻位流數(shù)據(jù)文件,它由若干個(gè)數(shù)據(jù)幀組成,每個(gè)數(shù)據(jù)幀的構(gòu)成如圖6所示。每幀中的音頻數(shù)據(jù)含有1152個(gè)原始音頻信號(hào)的采樣信息,并且經(jīng)過霍夫曼編碼形成。數(shù)據(jù)幀的其它內(nèi)容分別為:

頭標(biāo)信息:音頻位流的一部分,它包含同步和狀態(tài)信息。

校驗(yàn)字:音頻位流的一部分,它包含用于錯(cuò)誤檢測(cè)的信息。

輔助信息:音頻位流的一部分,它包含每幀中可用于解碼的相關(guān)信息。

縮放因子信息:音頻位流的一部分,它包含用于計(jì)算音頻數(shù)據(jù)量化比例因子的信息。

霍夫曼編碼數(shù)據(jù):音頻位流的一部分,它包含每幀中所有原始音頻采樣數(shù)據(jù)的霍夫曼編碼。

附加數(shù)據(jù):音頻位流的一部分,它可包含一系列用戶定義的輔助數(shù)據(jù)。

MP3解碼

LayerⅢ采用了較復(fù)雜的比特流結(jié)構(gòu)。解碼程序的流程圖如圖7所示。首先獲得每一幀的同步字,取得頭信息,從而獲得各相應(yīng)參數(shù),根據(jù)對(duì)頭信息的解析進(jìn)而得到實(shí)際的一幀音頻數(shù)據(jù)。讀取主數(shù)據(jù)獲得比例因子數(shù)據(jù),對(duì)樣本進(jìn)行解碼,然后對(duì)解碼樣本順序進(jìn)行倒置,如果塊類型(BlockSplit_type)和標(biāo)志類型(Flag_typ)都為1時(shí),對(duì)樣本進(jìn)行重新排序,根據(jù)邊信息中霍夫曼碼本的選擇信息進(jìn)行霍夫曼解碼,然后進(jìn)行反量化,根據(jù)幀頭的立體聲信息,對(duì)反量化結(jié)果進(jìn)行立體聲處理。最后通過混迭處理、IMDCT和合成濾波器重建數(shù)字音頻信號(hào)。

結(jié)束語

系統(tǒng)采用了高性能的芯片及性能優(yōu)良的模擬接口,具有很強(qiáng)的信號(hào)處理能力,可以高質(zhì)量地完成立體聲的解碼算法。在系統(tǒng)的軟硬件的基礎(chǔ)上,顯示器和鍵盤等,可以增加用戶接口。該系統(tǒng)可以集成在數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中增加MP3播放機(jī)功能,具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。