基于DSP的MP3解码系统设计方案

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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，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