基于C5000的音频解码系统设计 MP3格式, 互联网, 多媒体, 音乐, 国际

yuyang911220

MPEG(活动图像专家小组)是ISO/IEC组织的一个工作小组，负责制订有关活动图像、音频及其组合的压缩和解压缩处理等方面的技术标准。MPEG-1 Layer3(即MP3)是MPEG-1国际音频标准(ISO/IEC 11172)中的第三层编、解码算法，它具有压缩比高、声音还原质量好、算法复杂度适中等优点，采用这种标准制作的MP3格式的音乐在数字音频的存储、互联网上的多媒体音频传输等领域得到了广泛应用。
目前基于专用芯片的音频编解码方案软件升级灵活性不高，基于DSP的音频编解码方案又多基于C54x平台，而解决低功耗的技术方法是值得研究的问题。
基于上述背景，文中提出了基于DSP的音频解码系统的研究与实现这一解决方案。本课题的主要目的是：以TI公司的C5000系列通用型DSP芯片TMS320VC5509为核心，完成系统硬件平台的设计以及MP3的解码算法在该硬件平台上的实现。整个系统的硬件平台包括DSP核心模块、FLA SH存储器、音频CODEC，电源等模块。该系统通过USB接口与计算机通信，下载MP3格式的数据流，并将其存储在Flash中，然后由DSP读取Flash中的MP3数据流，完成解码工作，并通过CODEC播放。同时可以对DSP进行其他解码算法的软件编程，实现多种数据流格式的音频解码，具有很强的软件升级灵活性，还解决了低功耗的问题。
1 硬件平台的总体设计
目前业界对MP3解码系统的解决办法有两个方案：一是使用将解码算法固化到集成电路中去的专用芯片，这些芯片将一些片外资源集成到芯片内部，可以简化MP3解码系统实现所需的片外电路，便于整个系统的开发，但由于其算法固化到芯片内部，不能通过软件升级，而且此类芯片普遍价格偏高。另外一个方案，就是使用通用的DSP来实现MP3解码系统，这种解决方案对设计人员的软硬件技能提出了很高的要求，不过其有很好的升级特性，而且可以更方便的改进和优化解码算法，从而得到更好的音质回放效果，并且和第一种解决方案一样，其功耗比较低。
综合各方面的优劣条件，我们选择了第二种解决方案，即基于通用DSP芯片来实现整个解码系统的硬件平台。其硬件系统实现框图如图1所示。
基于C5000的音频解码系统设计
这个框图大致的画出了解码系统的基本组成部分。在图中，我们采用了512 k的串行EEPROM芯片用于实现bootloader，用CF卡存储MP3音乐及解码程序。核心的处理器采用了TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片，考虑到其内部的RAM容量有256 kB，而我们的程序大小为80 kB，因此我们在此设计中没有外扩RAM。
整个硬件平台的工作流程如下：首先通过USB接口，从PC机中复制MP3音乐，拷贝在大容量CF卡中。然后DSP读取CF卡的MP3数据进行解码，还原出PCM信号，再通过DSP的多通道带缓冲串口(McBSP)传送给音频CODEC芯片，最终播放出MP3音乐。
1.1 硬件平台的具体实现
1.1.1 核心DSP芯片介绍
本方案采用的x系列是TI公司推出的继C5000系列C5x、C54x后的新型产品。它采用了增强型的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，使用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法。为方便实际中的应用，C55X系列DSP具有各自不同的硬件结构，如在片存储器和片上外设等，可根据性价比和不同的应用场合灵活选用。由于采用了高度并行硬件结构、模块化设计，使得C55X系列DSP具有功耗低、速度快等优点。主要用在音频压缩、无线通讯等领域。
与5000系列其他芯片相比，TMS320VC5509以其独有高性能低功耗和低价格特性，使得一推出就受到业内用户的欢迎。
1.1.2 与计算机的接口设计
与计算机的接口设计使用的是当今十分流行的USB接口，实现从计算机下载数据，5509自带的USB接口完全符合USB2.0全速接口标准，可与任何外部微控制器实现高速并行接口(12M比特/秒)。
基于C5000的音频解码系统设计
1.1.3 存储器设计
CF卡被用来存储音乐和数据文件，它通过DSP的外部存储器接口(EMIF)与DSP相连，它丁作在True—IDE模式和3.3 V的电压下。我们可以根据系统需要选择任意容量的CF卡。选用Microchip Tethnology公司的64 kB的EEPROM 24LC512存放的是启动程序，每当上电时，即将CF卡中的程序调入内存运行。
24LC512与DSP的接口采用I2C总线通信。I2C(Inter—Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线是由数据线SDA和时钟线SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。存CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100 kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器(或被控器)，又是发送器(或接收器)，这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类;控制量决定该调整的类别(如音量等)及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关。其时序图如图4所示。
基于C5000的音频解码系统设计
1.1.4 音频解码接口设计
音频CODEC芯片采用的是TI公司的。它的主要作用是将DSP解码后的PCM音频流通过D/A变换，转换成模拟声音信号进行播放。
TLV320AIC23 DSP Codec是德州仪器公司2001年推出的高性能单片立体声编码解码器，数据转换字长16/20/24/32可选，工作电压与xDSP的核心和I/O电乐兼容，可实现与C55x DSP串行口的无缝连接，功耗很低，带有的I2C和SPI总线兼容控制接口能使AIC23编码译码器与其他微处理器共同使用。
其主要特点如下：
1)高性能立体声编码解码器：支持8～96 kHz采样频率，90DB ADC，100DB DAC转换信噪比，1.42～3.6 V内核数字供电电压，2.7～3.6 V模拟供电电压均与C55x DSP兼容。
2)可编程多种串行口数据传输标准：支持I2C和SPI串口数据传输模式，均可以与C55x DSP的McBSP口兼容。
3)内置放大的立体声输入输出(增益可调节)，耳机放大模块输出((30mW)。
4)低功耗电源管理：录音重放模式下19 mW，备用状态小于150 uW，停止状态小于15 uW。
音频CODEC与DSP的硬件接口电路如图5所示。
基于C5000的音频解码系统设计
由上图我们可以看出，DSP VC5509与AIC23的接口可分成两部分：控制接口部分(MeBSP1)和音频数据接口部分(MeBSP0)。其中DSP的McBSP1口完成AIC23的控制部分功能，此控制口配置为常用的SPI接口模式;而McBSP0口完成音频数据的传输功能，此数据口配置为DSP格式。
AIC23的数字音频接口支持4种数据格式：Right—Justified;Left—Justified;I2S格式;DSP格式。控制接口的SPI模式时序以及数字音频接口的DSP模式时序分别如图6和图7所示。
基于C5000的音频解码系统设计
1.1.5 电源模块设计
在电源模块中，我们选用了TI公司的三款芯片，分别是TPS61103，TPS60500，TPS73601。其中TPS61103用于将电池输入的1到3 V电压转换为固定的3.3 V，它为DSP的I/O及其他外设供电。TPS60500用于将3.3 V转换为DSP需要的内核电压1.6 V。此系统当通过USB接口与计算机相连时，就可以通过适当的跳线设置不用接电池，TPS73601用于将USB接口提供的5V电压转换为3.3V。
2 软件研究及算法实现
2.1 文件系统的实现
由于实现了FAT32文件系统，因此当此系统通过USB连接到PC机时，在Windows操作系统下将看到它作为一个独立的存储器出现，可是通过复制粘贴操作将音乐文件拷贝到CF卡上。
2.2 MP3解码算法的实现
本方案进行软件的开发平台是TI公司的C5000系列的集成开发环境Code Composer Studio 2.0。考虑到MP3解码软件的复杂度和可读性，整个解码软件采用DSP的C语言编写。DSP的C语言具有与标准ANSI C语言相同的语法特点，同时还和DSP硬件相结合，能够直接控制DSP的在片或外围设备资源。随着数字信号处理技术的不断发展，DSP的C语言编译器的编译效率也越来越高，5000系列的C语言编译器效率能达到
60%～70%，C6x系列的编译器效率高达80%。因此采用C语言来对DSP进行编程是必然的趋势。
本方案在LIBMAD的基础上对软件进行设计。MAD(LIBMAD)是一个开源的高精度MPEG音频解码库，支持MPEG-1(Laver I，Laver II和Laver III)。LIBMAD提供24-hit的PCM输出，完全是定点计算，非常适合在没有浮点支持的平台上使用。使用LIBMAD提供的一系列API，就可以非常简单地实现MP3数据解码工作。在LIBMAD的源代码文件目录下的mad.h文件中，可以看到绝大部分该库的数据结构和API等。
基于C5000的音频解码系统设计
MP3解码算法虽然复杂，但是整个解码过程分成各个模块进行，各个模块之间相对比较独立。在整个解码软件的设计过程中，对各个模块采用子函数，各个模块之间的联系就表现为函数的参数传递。整个解码软件由一个主函数控制，调度各个模块的有序运行。
解码软件的程序流程如图9所示。从图中我们可以看到对输入音频流解码先经过帧同步，读入同步头的信息，得到该MP3码流的采样频率、码流速率等参数，并记录现在所解码的MP3码流的帧数。然后获得粒度信息、主信息及定标因子，根据同步头中所得的MP3码流的压缩类型来读取信息，获得对应于各自颗粒中的各自通道的相关参数。
基于C5000的音频解码系统设计
然后对一帧中的两个颗粒进行解码，首先是从比特流中获取每个颗粒对应的定标因子，并对每个颗粒下的数据进行哈夫曼解码，这个哈夫曼解码过程需要32个哈夫曼码表之一来进行解码，可以根据边带信息中含有每个颗粒选择码表的信息来进行选择。经过哈夫曼解码的数据，接下来要经过反量化取样，在这步中，各个子带的数据根据所使用窗的类型，利用在边带信息中获得的参数反量化。接下来就是重排序和立体声处理模块，在这个模块中根据MP3码流所采用的压缩类型来进行相应的处理。
这样当处理完一个颗粒中所有通道的数据后，就可以把这一颗粒已解码好的数据输出到输出缓冲区中，当把下一颗粒的数据解码完毕并输出后，这样一帧数据就解码完成。这帧数据就可以输入到D/A部分进行播放，并将输出缓冲区清空，等待下一帧的解码数据的输入。解码程序一直到在比特流中再也找不到一帧的同步头时，就完成了这一音频流的解码。
3 结束语
MP3解码算法比较复杂，并且市面上大部分便携式MP3播放器都采用的是硬件解码器，也就是采用专门的音频解码芯片来实现的，然而随着数字信号处理技术的飞速发展，使得采用通用数字信号处理器(DSP)实现这一解码算法成为可能，而且存性价比、低功耗和软件升级灵活性上都优于采用硬件解码方案的mp3播放器，成为未来MP3市场的发展方向。