MP3原理

第1页共26页MP3播放机原理及电路分析关键词mp3；原理；电路1设计目的1.进一步掌握数字数字电子技术课程所学的理论知识。2.熟悉几种常用集成数字芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。3.了解数字系统设计的基本思想和方法，学会科学分析和解决问题。4.培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。2设计要求1．MPEGLayerIII的编解码原理：（1）MPEG标准简介；（2）MPEGLayerIII编码原理（思路）；（3）MPEGLayerIII解码原理（思路）。2．MP3播放机：（1）研究MP3播放机的发展历史；（2）MP3播放机的功能；（3）MP3产品的常用解决方案。3．一种典型MP3播放机的整机电路分析。3前言随着数字音视频技术和微电子技术的发展，各种数字音视频产品在当今消费性电子市场中大量涌现，其中MP3播放机深受人们特别是年轻一代的欢迎。各地区特别是珠江三角洲地区出现了大量的MP3播放机生产厂家。根据国内知名的ICT市场研究与咨询机构赛迪顾问最新发布的《2006年第二季度中国MP3播放机市场分析报告》显示，2006年第二季度，中国MP3播放机销量为163.29万台，销售额为8.59亿元。赛迪顾问预测，2006年中国MP3播放机市场销量将突破730万台。深入研究MP3播放机的原理和详细分析MP3播放机的整机电路对MP3播放机的制造和维修将起到重要的指导作用。4MP3播放机的概述4.1MPEGLayerIII的编解码原理4.1.1MPEG标准简介MPEG是活动图像专家组(MovingPictureExportsGroup)英文的缩写，于1988年成立，是为数字视/音频制定压缩标准的专家组。MPEG组织最初得到的授权是制定用于“活动图像”编码的各种第2页共26页标准，随后扩充为“及其伴随的音频”及其组合编码。后来针对不同的应用需求，解除了“用于数字存储媒体”的限制，成为现在制定“活动图像和音频编码”标准的组织。目前为止，在视频压缩领域MPEG成为最热也是应用最多的压缩技术。随着互联网和宽带的发展，MPEG技术越来越多的在各个领域得到应用。MPEG的任务是开发运动图像及其声音的数字编码标准，目前已提出MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4、MPEG-7和MPEG-21标准。MPEG-1：数字电视标准，1992年正式发布。MPEG-2：数字电视标准。MPEG-3：已于1992年7月合并到高清晰度电视(High-DefinitionTV，HDTV)工作组。MPEG-4：多媒体应用标准(1999年发布)。MPEG-7：多媒体内容描述接口标准(正在研究)。4.1.2MPEGLayerIII编码解码原理（思路）①MP3是一个数据压缩格式。它丢弃掉脉冲编码调制（PCM）音频数据中对人类听觉不重要的数据（类似于JPEG是一个有损图像压缩），从而达到了小得多的文件大小。在MP3中使用了许多技术其中包括心理声学以确定音频的哪一部分可以丢弃。MP3音频可以按照不同的位速进行压缩，提供了在数据大小和声音质量之间进行权衡的一个范围。MP3格式使用了混合的转换机制将时域信号转换成频域信号：*32波段多相积分滤波器(PQF)*36或者12tap改良离散余弦滤波器(MDCT)；每个子波段大小可以在0...1和2...31之间独立选择*混叠衰减后处理②Mp3本身采用的解码芯片是取决其音质好坏的关键。质量上乘的解码芯片所表现出来的音质是那些比较差的难以比拟的。听过赫赫有名的iriver系列的mp3的朋友就知道，其音质的特质非常明显，低音强劲，有力，人声还原真实，高频领域宽广，上扬足，很是取悦耳朵。该系列的mp3采用的就是目前市场最高端的解码芯片Philips的SAA7750，其质量性能都非常出色。同样采用这个解码芯片的还有韩国的顶级厂家MPIPO（帝伟科技），这两个品牌的mp3音质表现的口碑和市场反映都非常的不错，业内业外都倍加推崇，也曾经一度是mp3发烧友论证mp3音质好于md的王牌武器。由于该芯片成本比较高，还要加上一块控制芯片，所以除了少数品牌之外，其他的都很少采用。成本高了，售价当然不菲，这个也是限制众多mp3爱好者享受优美音质的门槛。4.2MP3播放机4.2.1MP3播放机的发展历史MPEG-1AudioLayer2编码开始时是德国DeutscheForschungs-undVersuchsanstaltfürLuft-undRaumfahrt（后来称为DeutschesZentrumfürLuft-undRaumfahrt，德国太空中心）EgonMeier-Engelen管理的数字音频广播（DAB）项目。这个项目是欧盟作为EUREKA研究项目资助的，它的名字通常称为EU-147。EU-147的研究期间是1987年到1994年。到了1991年，就已经出现了两个提案：Musicam（称为Layer2）和ASPEC（自适应频谱感知第3页共26页熵编码）。荷兰飞利浦公司、法国CCETT和德国InstitutfürRundfunktechnik提出的Musicam方法由于它的简单、出错时的健壮性以及在高质量压缩时较少的计算量而被选中。基于子带编码的Musicam格式是确定MPEG音频压缩格式（采样率、帧结构、数据头、每帧采样点）的一个关键因素。这项技术和它的设计思路完全融合到了ISOMPEGAudioLayerI、II以及后来的LayerIII（MP3）格式的定义中。在Mussmann教授（UniversityofHannover）的主持下，标准的制定由LeonvandeKerkhof（LayerI）和GerhardStoll（LayerII）完成。一个由荷兰LeonVandeKerkhof、德国GerhardStoll、法国Yves-FrançoisDehery和德国KarlheinzBrandenburg组成的工作小组吸收了Musicam和ASPEC的设计思想，并添加了他们自己的设计思想从而开发出了MP3，MP3能够在128kbit/s达到MP2192kbit/s音质4.2.2MP3播放机的功能(跟cd播放机或md播放机所播放的音乐效果一样)。(1)机身迷你、轻巧、便携。(2)机内无任何活动部件，完全防震、防磨损。(3)支持mp3/adpcm二种格式。(4)支持windows95/98/2000/me/nt/xp等操作系统，即插即用。(5)内置大容量闪存体，最大可达256mb，可作为活动电子硬盘来贮存各种类型的电脑资料。(6)高速usb接口，大于500kbps的传输率，可快速与计算机进行各种文件的数据传送。(7)内置全方位高保真麦克风，可进行实时录音，128m可录音9小时以上。(8)点阵lcd显示。(9)32级数字音量控制。(10)六种音效均衡模式：normal、ddb、rock、pop、classic、jazz。(11)文件删除功能。(12)播放模式：正常播放、单曲重复播放、所有曲目重复播放、10秒简介播放、复读对比播放。(13)支持id3文件4.2.3MP3产品的常用解决方案1．MP3播放机容量减少、无法在电脑上格式化、不能开机的解决办法。解决办法：先把本机SW1置于OFF起始状态(U盘状态)，然后按住大圆键不放，在按住大圆键KYE2的同时再将SW1推至播放状态，并一直按住大圆键10秒以上不放，此时LED灯显示为双色灯同时第4页共26页亮，放开大圆键，等待大约2分钟后，绿灯熄灭后表示低格结束。再重新拷入歌曲，即可恢复听歌。（适用于金点甲壳虫、子弹头系列）2．MP3播放机中有歌曲，但是全部不能播放。解决办法：请在电脑上选择用FAT格式来格式化MP3播放机。如果误采用FAT32或者NTFS格式来格式化MP3播放机，就可造成MP3播放机无法播放歌曲的故障。3．MP3播放机播放歌曲不正常，程序混乱。解决办法：请安装随机应用软件，然后使用随机软件提供的UPDATE功能重写一下MP3播放机的芯片，然后用随机软件提供的FORMAT功能格式化一下MP3播放机的内存。（适用于京华系列）4．MP3歌曲播放次序乱跳，或者播放时突然中断0.5秒，然后又继续播放。解决办法：请格式化MP3播放机，重新复制歌曲进去。5．MP3播放机连接电脑有时候可以找到，有时候不能找到。解决办法：MP3播放机从电脑上拔出的时候，WIN98下请使用“弹出”功能再拔出，WINME/2000下请使用右下角的“拔下或弹出硬件”功能再拔出。XP中为“安全删除硬件”。mp3格式化的方法把MP3接到电脑上，然后在MP3中建立一个名字叫@erase的目录，然后重新拨出和插入MP3到电脑的接口，这时，MP3就会自动格式化，可以看到，MP3的指示灯在不停的闪烁，等闪烁停止，表示格式化完成。MP3播放机容量减少，不能开机听歌的解决办法。（金点系列）先把本机SW1置于OFF起始状态(U盘状态)，然后按住大圆键不放，在按住大圆键KYE2的同时再将SW1推至播放状态，并一直按住大圆键10秒以上不放，此时LED灯显示为双色灯同时亮，大约2分钟后，绿灯熄灭后表示低格结束。再重新拷入歌曲，即可恢复听歌。（适用于金点甲壳虫、子弹头系列）第5页共26页5MP3播放机的工作原理5.1MP3播放机的硬件结构一个完整MP3播放机要分几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。如上图。其中中央处理器和解码器是整个系统的核心，这两个部分集成在一个芯片中。这里的中央处理器我们通常称为MCU(单片微处理器)，简称单片机。它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware。控制MP3的各个部件的工作：从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作，显示系统运行状态等任务。解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码(有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成)。它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号。第6页共26页存储设备是MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASHMEMORY）,它通过主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3也不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种。播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储协议规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。这里需要遵循几个规范：USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。这里要介绍一下数字音频信号。数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。我们知道声音的本质是波，人说能听到的声音的频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。数字音频信号是对模拟信号的一种量化（如下图），典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔做采样，对振幅做量化。单位时间内的采样次数称为采样频率。这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。这是ADC（模拟-数字转换）过程,DAC（数字-模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率顺序转换成对应的电压。MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。第7页共26页MP3播放机的显