较好基于DSP的MP3解码系统设计消费电子

基于DSP的MP3解码系统设计 - 消费电子 - 电子工程

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TLV320A IC23 作为音频信号数模转换，DSP的两个McBSP与其连接，分别作为配置接口和音频数字接口，配置接口设置为SP I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。

随着数字视频和图像处理的发展，数字音频技术也正在提高，尤其是以ISO / IEC 为基础的MPEG技术。MP3是MPEG Audio LayerⅢ的缩写，它是Hi - Fi级音频压缩的国际标准。目前，市场上的MP3解码基本上都是采用专用芯片解码，采用专用芯片解码体积大，支持的音频格式有限。我们采用在DSP芯片上用C语言进行软解码，软解码比较灵活，可移植性好，易于升级，解码质量可通过软件参数设定，通用性好。

硬件系统结构

DSP的MP3解码系统硬件框图如图1所示，我们采用了低功耗的DSP芯片TMS32VC5416进行软件解码，32M的CF卡作为存储MP3文件的媒介，USB接口作为与PC机进行通讯接口，传输数据速度快，可以在PC机下载、上传MP3，可编程逻辑器件CPLD (选用EPM7128SL84)用于产生CF卡与USB 接口芯片的片选以及控制其读写。

TMS320VC5416定点DSP

TI公司的TMS320VC5416 定点运算数字信号处理器(DSP) ，其功耗低，性能高，内部采用一种改进型的哈佛总线结构:一条程序总线，3条数据总线，数据总线宽度为16位。分开的数据和指令空间使该芯片具有高度的并行操作能力，在单周期内允许指令和数据同时存取，再加上其高度优化的指令集，使得该芯片具有很高的运算速度，最高可达160MIPS。

图1 系统的硬件框图

音频传输、播放系统

TLV320A IC23介绍

D /A采用TLV320A IC23 芯片，TLV320AIC23 (以下简称AIC23)是一款高性能的立体声音频Codec芯片，内置耳机输出放大器，支持MIC和LINE IN两种输入方式(二选一) ，且对输入和输出都具有可编程增益调节。AIC23 的模数转换(ADCs) 和数模转换(DACs)部件高度集成在芯片内部，采用了先进的Sigma-delta过采样技术，可以在8K到96K的频率范围内20、24 bit和32 bit的采样，ADC和DAC的输出信噪比分别可以达到90dB 和100dB。与此同时，AIC23还具有很低的能耗，回放模式下功率仅为23 mW，省电模式下更是小于15uW。由于具有上述优点，使得AIC23是一款非常理想的音频模拟I/O器件。

AIC23与DSP的数字音频接口设计

DSP与AIC23连接如图2 所示，利用USB1. 1接口器件PDIUSBD12可编程的时钟频率输出12M作为立体声音频Codec芯片AIC23的时钟输入CLK12M。AIC23的配置接口支持IαC模式，也支持SPI模式，系统采用DSP的一个McBSP用SPI模式跟AIC23连接。

图2 TLV320A IC23与DSP连接图

DSP配置为主模式，AIC23 配置为从模式。AIC23 输出串行数据，DSP的MCBSP串口6个引脚使数据通路和控制通路与AIC23 相连。数据由BDX0、BDR0 传输，同步信号的控制由BFSX0、BFSR0、BCLKX0 来实现。数字音频接口采用DSP模式，该模式与TI公司DSP的MCBSP串口兼容，该模式时序如图3。由图知，在LRCIN /LRCOUT信号的下降沿开始进行数据的传输，先左声道数据传输年提供鸡苗1.5亿只。，然后右声道数据传输。

图3 A IC23的DSP模式时序

DSP需要处理来自和发向AIC23的数据，从而达到采集和播放声音。McBSP与CPU 通信用DMA 方式，通过DMA 收到或发送完一组单元，再给CPU 中断。采用DMA的方式，即串口每发送或接收到一个单元，都会自动触发DMA将其搬送到一个内部的Buffer，等Buffer满了再通过中断方式告诉CPU处理。在DMA的中断服务程序中为了可靠可以把这个Buffer的数据再拷贝到另一个待处理的空间，即两级Buffer，然后置标志位，CPU在主程序中查询标志位然后作出相应的他清楚该案件一直处于僵局状态处理。DMA 操作的Buffer可以通过寄存器配置。

USB接口实现

USB接口采用高性能、并行总线的USB接口器件PD IUSBD12 (以下简称D12) ，D12符合通用串行总线USB 1. 1 版规范，可与DSP微控制器实现高速并行接口[ 5 - 6 ] ，D12与DSP连接如图4所示。

图4 D12与DSP连接图

由CPLD产生D12的片选、以及控制对D12的读写; ALE接低电平，表示一个独立的地址和数据总线配置; D12 的A0 脚与DSP的A0相连，控制D12 的命令和数据状态。

CF卡接口设计

CF卡是一种小型化、大容量、低功耗、智能型的存储媒体，在便携式设备中应用广泛。以Flash Memory(闪存)为主要载体，内部用微处理器进行时序控制和存储管理。CF卡与DSP连接如下图5 所示。

图5 CF卡与DSP连接

CF卡的A3～A0为数据、命令、或状态寄存器地址线，D15～D0为数据总线，可16位或8位访问，当片选信号CE1#和CE2#同时为低电平时，为16位访问格式;当CE1#置高，CE2#为低电平时，为8位访问格式。CF的存取方式有三种:Memory方式、I/O 方式、True IDE方式，该系统中CF卡工作模式选取上电默认方式，即:Memory方式，片选CE1 #、CE2 #由可编程逻辑器件EPM7128SL84对DSP的8位地址A15～A22译码产生。CF卡工作电压为5 V或3. 3 V，设计选用3. 3 V工作电压，便于数据输出与地址可直接与DSP相接。

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，它包含用于错误检测的信息。

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。

图6 MP3位流数据帧示意图

MP3解码

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。

图7 MP3解码流程

结束语

系统采用了高性能的芯片及性能优良的模拟接口，具有很强的信号处理能力，可以高质量地完成立体声的解码算法。在系统的软硬件的基础上，显示器和键盘等，可以增加用户接口。该系统可以集成在数码相机等产品中增加MP3播放机功能，具有广阔的推广应用前景