基于DSP實(shí)現(xiàn)MP3解碼系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用高性能的立體聲音頻Codec芯片TLV320A IC23 作為音頻信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換，DSP的兩個(gè)McBSP與其連接，分別作為配置接口和音頻數(shù)字接口，配置接口設(shè)置為SP I模式。USB與DSP接口實(shí)現(xiàn)MP3數(shù)據(jù)流與PC機(jī)之間的上傳與下載，存取MP3文件方便，存儲(chǔ)MP3文件的媒介選取大容量的存儲(chǔ)設(shè)備CF卡，系統(tǒng)選用可編程邏輯器件CPLD控制USB及CF卡的讀寫和片選。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可以高質(zhì)量完成MP3解碼、播放。

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MPEG Audio LayerⅢ的縮寫，它是Hi - Fi級(jí)音頻壓縮的國(guó)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(yǔ)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(guò)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(kāi)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。

圖1　系統(tǒng)的硬件框圖

音頻傳輸、播放系統(tǒng)

TLV320A IC23介紹

D /A采用TLV320A IC23 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LINE IN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(guò)采樣技術(shù)，可以在8K到96K的頻率范圍內(nèi)20、24 bit和32 bit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23 mW，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。

圖2　TLV320A IC23與DSP連接圖

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(lái)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(kāi)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。

圖3　A IC23的DSP模式時(shí)序

DSP需要處理來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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PD IUSBD12 (以下簡(jiǎn)稱D12) ，D12符合通用串行總線USB 1. 1 版規(guī)范，可與DSP微控制器實(shí)現(xiàn)高速并行接口[ 5 - 6 ] ，D12與DSP連接如圖4所示。

圖4　D12與DSP連接圖

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Flash Memory(閃存)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。

圖5　CF卡與DSP連接

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(wèn)，當(dāng)片選信號(hào)CE1#和CE2#同時(shí)為低電平時(shí)，為16位訪問(wèn)格式;當(dāng)CE1#置高，CE2#為低電平時(shí)，為8位訪問(wèn)格式。CF的存取方式有三種:Memory方式、I/O 方式、True IDE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5 V或3. 3 V，設(shè)計(jì)選用3. 3 V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 -1 Ⅲ層標(biāo)準(zhǔn)壓縮編碼格式。遵循MP3標(biāo)準(zhǔn)的音樂(lè)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(lè)經(jīng)過(guò)MP3壓縮編碼后，可以壓縮到1兆左右而基本保持不失真。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(guò)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)。

圖6　MP3位流數(shù)據(jù)幀示意圖

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(BlockSp lit_ 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(guò)混迭處理、IMDCT和合成濾波器重建數(shù)字音頻信號(hào)。

圖7　MP3解碼流程

結(jié)束語(yǔ)

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