MP3解碼與實(shí)現(xiàn) - 基于C51單片機(jī)的校園自助導(dǎo)覽儀設(shè)計(jì)

　　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：

　?、俣c(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。

　?、谠诔绦虻念^部建立正確的運(yùn)行頭(Run Time Header)文件。

　?、蹆?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?，必須?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)場景。

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　　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)行了一些野外測試，效果良好：

　?、侔l(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短和電壓高低得到理想距離;

　?、谡`碼可能性極低;

　?、弁ㄟ^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)行了大量的通信測試，但不一定能達(dá)到惡劣環(huán)境的要求。可以根據(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。