基于C51單片機的校園自助導(dǎo)覽儀設(shè)計
摘要:在分析MP3標準算法的基礎(chǔ)上,基于C51單片機實現(xiàn)MP3的編解碼,并對MP3編碼進行了多方面的優(yōu)化;在單片機上的MP3算法中加入無線功能,設(shè)計成為一種校園自助導(dǎo)覽儀。經(jīng)野外測試,效果良好。
關(guān)鍵詞:MP3編解碼;無線模塊;自助導(dǎo)覽
引言
MP3是MPEG-I的音頻標準第三層壓縮模式。雖然算法比較復(fù)雜,但壓縮比最大在低碼率條件下基本能達到CD的音質(zhì)效果。其壓縮比例高、音質(zhì)失真小的特點使之成為用于當前PC、網(wǎng)絡(luò)、PDA等最為流行的音頻格式。在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)MP3音頻編解碼常見的有兩種方案;一種是硬件解碼(即通過專用的MP3解碼硬件進行解碼),其特點是可以實現(xiàn)較高的性能和較低的功耗,目前大多數(shù)商用MP3都采用這種方案;另外一種是軟件解碼(即完全依賴于嵌入式微處理器或DSP的處理能力),通過對MP3定點或浮點解碼程序?qū)崿F(xiàn)解碼過程,該方案對嵌人式微處理器或DSP處理能力要求較高。
本文采取硬件解碼方案,在單片機上實現(xiàn)了MP3的解碼,并加入無線功能,使其向產(chǎn)品靠攏,設(shè)計成為一種電子產(chǎn)品“校園自助導(dǎo)覽儀”。它的功能和導(dǎo)游一樣,具備自助和電子的要素。
本文還對MP3編碼進行優(yōu)化,除了算法優(yōu)化和高級語言的優(yōu)化之外,還進行了匯編級優(yōu)化,大大降低了算法的復(fù)雜性。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本設(shè)計是基于校園的一種電子產(chǎn)品,將旅游景點的解說以MP3格式存儲,通過無線形式實現(xiàn)智能控制。該系統(tǒng)能根據(jù)觀眾的位置和需要自動確定解說的語言和內(nèi)容,使得每個觀眾不但可以得到每個展位、景點的完整信息,而且能夠感受到高清晰、低噪聲的音響效果。同時,本設(shè)計產(chǎn)品還配有鍵盤,可以對播放的音頻文件進行控制,滿足人性化的要求。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。
1.1 MP3編碼與實現(xiàn)
MP3采用的是頻域編碼,即音樂信號自適應(yīng)譜感熵編碼ASPEC(Adaptive Spectral Perceptual Entropy Coding of High Quality Music Signal)。
MP3的數(shù)據(jù)是以幀流的形式存儲或傳輸?shù)模總€幀有幀頭和幀尾。為獲取較高的數(shù)據(jù)壓縮比,根據(jù)音頻位流語法,采用了較為復(fù)雜的位流結(jié)構(gòu)。MP3碼流是由很多幀組成,每一幀由幀頭、壓縮的音頻數(shù)據(jù)及輔助數(shù)據(jù)等組成。幀頭是一個32位長的數(shù)據(jù),它包含輸入輸出采樣率、輸出比特率以及單雙聲道等信息。對每一幀的576(單聲道,立體聲為1152)個輸入音頻采樣壓縮而得到音頻數(shù)據(jù)。具體的壓縮后的比特數(shù)可以根據(jù)下式得到:
幀內(nèi)比特數(shù)=幀內(nèi)采樣數(shù)×位率/采樣率 (1)
圖2是MP3音頻信號的編碼過程。就單聲道而言,MP3的一個編碼框包含1152個聲音取樣,每個取樣為16位。MP3編碼時,首先將原始輸入的16位PCM信號經(jīng)過濾波器分析(filer bank analysis),轉(zhuǎn)換成32個等頻寬的子頻帶信號(subband signal)。然后透過改良式離散余弦轉(zhuǎn)換(Modified I)iscrete CosineTransforln,MDCT),將每個子頻帶信號再細分為18個次頻帶,根據(jù)第二心理聲學(xué)模型(Psychoacoustic Mode ID所提供的信噪比(Signal-to-MaskRatio,SMR),對每個子頻帶信號進行位元分配及量化編碼。最后,只要將編碼后的資料依照MPEG-I定義的位元串的形式輸出即可。
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