基于SPCA751A的MP3播放器

    引言

    MP3压缩音乐的方式是通过一个运算法则，去掉声音中高频与低频的部分，大幅删减不必要的容量浪费，同时保留了人类所能感受到的音频部分。因此，它的好处在于大幅降低了数字声音文件的容量，而不会破坏原来的音质。在MP3的运算法则下，音质越低的声音可以得到越高的压缩比例。以CD音质的Wave文件来说，如抽样分辨率为16bit，抽样频率为44.1kHz，声音模式为立体声，那么存储1秒钟CD音质的Wave文件，必须要用掉16bit×44100×2=1411200bit，也就是相当于1411.2kbit的存储容量，存储介质的负担很大。而通过MP3格式压缩后，文件便可以压缩为原来的1/10到1/12，每一秒钟的MP3只需大约U2-128kbit就可以了。

    MP3播放系统分为便携式和非便携式两种。对于非便携式，要考虑和其他CD音乐格式的共容性。对于便携式系统，主要考虑的是其体积小巧、低功耗、高容量、低价格。

    系统简介

     便携式MP3播放器的系统框图如图1所示，各部分的功能说明如下：

图1 便携式MP3播放器系统框图 

    1. 解码部分：这是MP3播放器的核心部件，采用硬件解码技术。

    2. 存储部分：目前一般采用32MB的FLASH存储器，32MB的存储器能够存储36分钟128kbps(达到CD音质)的音乐，如果是播放16kbps的压缩话音，可以存储4个小时的内容。

    3. 接口部分：一般通过PC的并口或USB口进行MP3文件的下载，并口的传输速率较低，USB口的传输速率可以高达12Mbps。

    4．电源管理：便携式MP3的体积小，只用1到2只AAA电池供电，因此采用低电压以及进行有效的功率管理是非常必要的。

    音频解码芯片内部结构

    SPCA751A是凌阳科技公司生产的单片信号处理芯片，是一个MPEG Layer2.5音频专用解码芯片，已经广泛应用于一些便携式的MP3播放器设计中。它可支持对8—320Kbps基本数据流的解码，支持的取样频率范围为8KHz—48KHz，非常适合于MPEG的音频解码，并带有数字语音录音的MPEG播放模块，具有很高的性能/价格比。解码后的信号是可以直接输出到DAC的立体声、单声道或双声道的数字信号，SPCA751A与DAC的接口是可编程的。只要通过通用的串行I/O口和控制接口就能对MPEG比特流进行输入/输出和回放控制，系统控制器能很轻易的对MPEG音频信号进行解码。通过一个通用的可编程I2S接口，就能把一解码的音频PCM数据输出到外部的DAC中，因此，大多数常用的音频DAC都能和SPCA751A兼容。

    对于嵌入式的语音录音，SPCA751A具有高品质的10位8KHz采样频率的ADC。基于SACM_S480或者SACM_S3200的运算法则，语音可以分别被压缩到4.8Kbps和32Kbps，而保持原始的语音效果。

    SPCA751A使用的电源为3.0V~3.6V，它可以从其本身使用的16.934MHz晶振通过锁相环与系统时钟同步。SPCA751A信号处理器的工作频率可以达到34MHz而功耗很少，这就使得SPCA751A特别适合于便携式系统。         

    SPCA751A芯片的内部功能如图2所示，其主控制器只要具有足够的I/O口、能访问闪存和驱动LCD即可。

图2 SPCA751A内部功能图

    为了适合数字录音应用的需要，SPCA751A有一个适合于语音波段的Σ-ΔADC，转换器的电路包括两个主要模块：ADC模块和内部参考偏置电压模块，后者为一个带有10位谐和音的15位数据格式。

    ADC模块包括麦克风放大器、一个可编程增益放大器(PGA)、一个模拟过采样调节器和十进制数据滤波器。PGA增益可以从-12dB到12dB(-12，-6，0，6，12dB)，当过采样信号频率为1.024MHz时，调节器是一个Σ-Δ反馈回路，它完成微分模拟信号输入到脉 冲密度调整单比特数字信号输出的转换。[page]

图3 MPEG音频播放器系统框图 

    CEI表示主控制器是否可以接收数据    设置初始化参数：IDF+512字节数据    设置比特流：ID6+512字节比特流    设置命令：ID(低位字节)+命令(高位字节)

    硬件设计

    SPCA751A是单片的CMOS微处理器，是实时的MPEG音频解码和语音录音的专用芯片。主处理器通过串行控制口/I/O接口的命令控制SPCA751A对MPEG语音数据进行解码，主处理器也可以根据该接口检测解码过程。MPEG音频播放器系统框图如图3所示。SPCA751A与主控制器的连接如图4所示。

图4 SPCA751A与主控制器的连接

    软件设计

    SPCA751A工作于两种模式，MP3模式和数字语音录音(DVR)模式。在MP3

模式，SPCA751A解码输入的比特流，发送到SPCA751A的数据作为输入数据。当FCEB1为高电平(缺省)时，主处理器发送比特流到SPCA751A；当FCEB1为低电平时，表明SPCA751A处于忙碌状态，这时，主处理器不能发任何数据到SPCA751A。在DVR模式，SPCA751A编/解码录入的数字比特流，如果FCEB1为高电平，主处理器能从SPCA751A接收数据；当FCEB1为低电平时，主处理器不能从SPCA751A获得比特流。对SPCA751A进行编程的流程图如图5所示。

图5 对SPCA751A编程流程图

    结语

    MP3为了取得较好的压缩效果而采用了相对复杂的技术，而且宽带音频信号的取样率也较高(一般为44.1kHz以上)，所以MP3编解码的运算量和数据量都相当庞大。例如，在定点DSP平台上以汇编语言编写的解码程序，在128kbps、立体声的条件下，需要近40Mbps进行实时解码，并需耗用15kB程序/设计空间。这就是目前便携式MP3已在市场上流行，而能实时编码的同类产品尚不多见的原因之一。不过，随着硬件性能的不断提高和软件算法的不断改进，MP3实时编码器也必将取得进一步的发展。