摘要：在分析MP3標(biāo)準(zhǔn)算法的基礎(chǔ)上，基于C單片機(jī)" title="51單片機(jī)" target="_blank">51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)MP3的編解碼,，并對(duì)MP3編碼進(jìn)行了多方面的優(yōu)化,；在單片機(jī)上的MP3算法中加入無線功能，設(shè)計(jì)成為一種校園自助導(dǎo)覽儀,。經(jīng)野外測(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(dá)到CD的音質(zhì)效果,。其壓縮比例高,、音質(zhì)失真小的特點(diǎn)使之成為用于當(dāng)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(shí)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(jìn)行解碼),，其特點(diǎn)是可以實(shí)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(duì)MP3定點(diǎn)或浮點(diǎn)解碼程序?qū)崿F(xiàn)解碼過程,，該方案對(duì)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(jī)上實(shí)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(jì)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(duì)MP3編碼進(jìn)行優(yōu)化,，除了算法優(yōu)化和高級(jí)語言的優(yōu)化之外，還進(jìn)行了匯編級(jí)優(yōu)化,，大大降低了算法的復(fù)雜性,。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)是基于校園的一種電子產(chǎn)品，將旅游景點(diǎn)的解說以MP3格式存儲(chǔ),，通過無線形式實(shí)現(xiàn)智能控制,。該系統(tǒng)能根據(jù)觀眾的位置和需要自動(dòng)確定解說的語言和內(nèi)容，使得每個(gè)觀眾不但可以得到每個(gè)展位,、景點(diǎn)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(shí),，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品還配有鍵盤，可以對(duì)播放的音頻文件進(jìn)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(shí)現(xiàn)
    MP3采用的是頻域編碼，即音樂信號(hào)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(chǔ)或傳輸?shù)?，每個(gè)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(gè)32位長(zhǎng)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(duì)每一幀的576(單聲道,，立體聲為1152)個(gè)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?cái)?shù)可以根據(jù)下式得到：
    幀內(nèi)比特?cái)?shù)=幀內(nèi)采樣數(shù)×位率／采樣率 (1)
    圖2是MP3音頻信號(hào)的編碼過程,。就單聲道而言,，MP3的一個(gè)編碼框包含1152個(gè)聲音取樣，每個(gè)取樣為16位,。MP3編碼時(shí),，首先將原始輸入的16位PCM信號(hào)經(jīng)過濾波器分析(filer bank analysis)，轉(zhuǎn)換成32個(gè)等頻寬的子頻帶信號(hào)(subband signal),。然后透過改良式離散余弦轉(zhuǎn)換(Modified I)iscrete CosineTransforln,，MDCT)，將每個(gè)子頻帶信號(hào)再細(xì)分為18個(gè)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(duì)每個(gè)子頻帶信號(hào)進(jìn)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。

    數(shù)字音頻采樣通過由兩個(gè)濾波器組成的濾波器組輸入到心理聲學(xué)模型中,，由心理聲學(xué)模型的輸出來控制音頻屏蔽等參數(shù),，最終通過量化和霍夫曼(Huffman)編碼得到輸出的比特流。
1．2 MP3解碼與實(shí)現(xiàn)
    PCM信號(hào)進(jìn)行MP3壓縮時(shí),，以1152個(gè)PCM采樣值為單位,，封裝成具有固定長(zhǎng)度的MP3數(shù)據(jù)幀(幀是MP3文件的最小組成單位)。在解碼時(shí),，利用數(shù)據(jù)幀里的信息就可以恢復(fù)出1152個(gè)PCM采樣值,。這1152個(gè)采樣值被分為2個(gè)粒度組,，每個(gè)粒度組包含576個(gè)采樣值。一個(gè)MP3數(shù)據(jù)幀分為5個(gè)部分：幀頭,、CRC校驗(yàn)值,、邊信息、主數(shù)據(jù),、附加數(shù)據(jù),。在進(jìn)行解碼時(shí)一般包含同步(Synchronization)、找到幀的開始位置,、檢查錯(cuò)誤(CRC),、霍夫曼解碼(Huffman decoding)、解包信息,、輸出量化的頻率信息,、再量化(Requantize)、用比例系數(shù)放大輸出信息,、再排序(Reorder),、增加頻率后重新排序、頻率線立體聲合成(Stereodecoding)等過程,。
    MP3解碼器程序設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：
    ①定點(diǎn)算法設(shè)計(jì),。盡管定點(diǎn)單片機(jī)也支持浮點(diǎn)運(yùn)算，但浮點(diǎn)運(yùn)算會(huì)消耗大量的指令周期和內(nèi)存,，也會(huì)降低系統(tǒng)運(yùn)行速度,，不能應(yīng)用于MP3實(shí)時(shí)解碼。在程序設(shè)計(jì)中,，首先要將MP3浮點(diǎn)C解碼算法轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)C解碼算法,。浮點(diǎn)算法轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜，本文不再多述,。
    ②在程序的頭部建立正確的運(yùn)行頭(Run Time Header)文件,。
    ③內(nèi)存分頁／重疊。與ADSP-218X類似,，F(xiàn)D216也是通過設(shè)置重疊存儲(chǔ)器選擇寄存器(PMOVLAY／DMOVLAY)來實(shí)現(xiàn)PM(CM)／DM存儲(chǔ)器分頁／重疊的,。

2 無線模塊
    無線遙控裝置已廣泛應(yīng)用于車模、航模等領(lǐng)域,，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)靶機(jī),、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、玩具等的控制,。在空間存在各個(gè)頻段,、強(qiáng)弱變化的無線電波，因此無線遙控器在通信數(shù)據(jù)傳輸時(shí)容易受到干擾,。為了提高通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，必須在發(fā)送端對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行編碼,，而在接收端對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，以提高抗干擾性,。下面先介紹無線收發(fā)的特點(diǎn),，再將此無線功能加入MP3中，構(gòu)成一個(gè)有無線功能的MP3,，從而完成校園自助導(dǎo)覽儀的設(shè)計(jì),。
    發(fā)射器一般由數(shù)據(jù)輸入模塊、編碼電路,、調(diào)制電路,、驅(qū)動(dòng)電路、發(fā)射電路等部分組成,。當(dāng)有數(shù)據(jù)從輸入模塊輸入時(shí),，編碼電路產(chǎn)生相應(yīng)的編碼信號(hào)(編碼指信號(hào)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制)，再由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射,。
接收器一般由接收電路,、放大整形電路、調(diào)制電路,、數(shù)據(jù)處理電路,、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路等部分組成,。接收電路接收發(fā)射器發(fā)送的調(diào)制編碼信號(hào),，經(jīng)過放大整形電路處理后送至解調(diào)電路。解調(diào)電路對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào),，即還原為編碼信號(hào),。數(shù)據(jù)處理電路對(duì)編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并控制執(zhí)行電路執(zhí)行相應(yīng)的操作,。
    由上述可知,，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕仨殞?duì)發(fā)送數(shù)據(jù)及發(fā)送的脈沖格式進(jìn)行編碼,，然后在接收端對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行解碼?，F(xiàn)在市場(chǎng)上有很多用于編碼和解碼的專用芯片，例如PT2262／PT2272,，它們都是通過硬件實(shí)現(xiàn)編碼和解碼的,。在接收端，由于無線接收模塊收到的是脈沖信號(hào),，而不同的數(shù)據(jù)位其寬度不同,，所以必須測(cè)量每個(gè)脈沖的寬度，以判別是哪個(gè)數(shù)字邏輯,。在硬件上采用單片機(jī)的兩個(gè)外部中斷INT 0,、INT1來捕捉脈沖的上升沿和下降沿,，進(jìn)而計(jì)算出脈沖寬度和數(shù)字邏輯。圖3是設(shè)計(jì)的校園自助導(dǎo)覽儀的無線收發(fā)場(chǎng)景,。

    如果旅游者佩戴我們?cè)O(shè)計(jì)的自助導(dǎo)覽儀進(jìn)入校園游覽,，每次到達(dá)校園景點(diǎn)時(shí)，會(huì)自動(dòng)接收到校園景點(diǎn)發(fā)射的編碼信號(hào),，自助導(dǎo)覽儀進(jìn)行解碼后會(huì)播放相應(yīng)的MP3音頻文件進(jìn)行景點(diǎn)的介紹,。
    為了檢驗(yàn)自助導(dǎo)覽儀設(shè)備可靠性，進(jìn)行了一些野外測(cè)試,，效果良好：
    ①發(fā)射模塊距離可調(diào),，符合顯示各校園景點(diǎn)需要，基本上能通過控制天線長(zhǎng)短和電壓高低得到理想距離,；
    ②誤碼可能性極低,；
    ③通過程序控制很好地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)判斷同一景點(diǎn)播放完后是否重新播放。

3 MP3編碼優(yōu)化
    心理模型的優(yōu)化可以分為兩個(gè)方面：心理聲學(xué)模型算法的優(yōu)化和心理聲學(xué)模型定點(diǎn)運(yùn)算的優(yōu)化,。心理模型對(duì)于長(zhǎng)窗和短窗的運(yùn)算均需要進(jìn)行一系列的包含F(xiàn)FT的復(fù)雜運(yùn)算,，耗費(fèi)大量運(yùn)算周期。因此我們考慮這樣來實(shí)現(xiàn)心理聲學(xué)模型：首先進(jìn)行窗體類型的判斷,，依據(jù)判斷結(jié)果,，只作對(duì)應(yīng)窗口類型的FFT變換和后續(xù)的心理聲學(xué)模型計(jì)算，從而大大減輕運(yùn)算負(fù)擔(dān),。經(jīng)過測(cè)試統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),，大多數(shù)的情況下，編碼器所采用的窗口類型均為長(zhǎng)窗,，因此在心理模型窗體計(jì)算時(shí)可以不考慮短窗,。
另外一種優(yōu)化則是對(duì)定點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行優(yōu)化。由于在心理聲學(xué)模型中涉及到諸多復(fù)雜的運(yùn)算(包括循環(huán)控制,、對(duì)數(shù)運(yùn)算,、冪運(yùn)算等)，因此充分利用硬件功能和對(duì)運(yùn)算的優(yōu)化成為了關(guān)鍵,。MP3編碼器編碼過程中,，量化編碼需要進(jìn)行多次量化調(diào)整循環(huán)，每一次的量化調(diào)整都會(huì)消耗很多周期,，因此通常會(huì)占到60％～70％的運(yùn)算周期,。在實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了達(dá)到實(shí)時(shí)的要求,，對(duì)量化編碼模塊的循環(huán)進(jìn)行了控制,，得到了最佳的量化結(jié)果。

結(jié)語
    對(duì)MP3的編解碼和無線模塊的整合,，是設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的一個(gè)方向,，對(duì)電子產(chǎn)品的多樣化有一定的推動(dòng)作用,。本文在單片機(jī)上通過對(duì)MP3的編解碼運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了MP3的播放，然后對(duì)其功能進(jìn)行擴(kuò)展,，加入了無線模塊設(shè)計(jì)和液晶屏等,，最終完成了校園自助導(dǎo)覽儀的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,，在西南交通大學(xué)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)和推廣,，取得很好的效果。
    雖然我們對(duì)編碼進(jìn)行了優(yōu)化,，且對(duì)無線模塊進(jìn)行了大量的通信測(cè)試,，但不一定能達(dá)到惡劣環(huán)境的要求?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的需要,，調(diào)整無線模塊的收發(fā)距離。此外,，該MP3還可以進(jìn)行更多的功能擴(kuò)展,，比如做成電子導(dǎo)游、公交報(bào)站器等多種電子產(chǎn)品,。