基于DSP控制的音頻解碼系統設計

王 幸，王 林，李孺昕

（中國測試技術研究院 電子研究所，四川 成都 610021）

基于DSP控制的音頻解碼系統設計

王 幸，王 林，李孺昕

（中國測試技術研究院 電子研究所，四川 成都 610021）

文中以TI公司的C5000系列通用型DSP芯片TMS320VC5509為核心，完成音頻解碼系統硬件平臺的設計與實現，并研究MP3的解碼算法以及其在該硬件平臺上的實現。整個系統的硬件平臺包括DSP核心模塊、FLASH存儲器、音頻CODEC, 電源等模塊。該系統通過USB接口與計算機通信，下載MP3格式的數據流，并將其存儲在Flash中，然后由DSP讀取Flash中的MP3數據流，完成解碼工作，并通過CODEC播放。同時可以對DSP進行其他解碼算法的軟件編程，實現多種數據流格式的音頻編、解碼，具有很強的軟件升級靈活性，還解決了低功耗的問題。

MPEG；音頻解碼；DSP；低功耗

MPEG(活動圖像專家小組)是ISO/IEC組織的一個工作小組，負責制訂有關活動圖像、音頻及其組合的壓縮和解壓縮處理等方面的技術標準。MPEG-1 Layer3(即MP3)是MPEG-1國際音頻標準(ISO/IEC 11172)中的第三層編、解碼算法，它具有壓縮比高、聲音還原質量好、算法復雜度適中等優點，采用這種標準制作的MP3格式的音樂在數字音頻的存儲、互聯網上的多媒體音頻傳輸等領域得到了廣泛應用。目前基于專用芯片的音頻編解碼方案軟件升級靈活性不高，基于DSP的音頻編解碼方案又多基于C54x平臺，而解決低功耗的技術方法是值得研究的問題。

基于上述背景，文中提出了基于DSP的音頻解碼系統的研究與實現這一解決方案。本課題的主要目的是：以TI公司的C5000系列通用型DSP芯片TMS320VC5509為核心，完成系統硬件平臺的設計以及MP3的解碼算法在該硬件平臺上的實現。整個系統的硬件平臺包括DSP核心模塊、FLASH存儲器、音頻CODEC, 電源等模塊。該系統通過USB接口與計算機通信，下載MP3格式的數據流，并將其存儲在Flash中，然后由DSP讀取Flash中的MP3數據流，完成解碼工作，并通過CODEC播放。同時可以對DSP進行其他解碼算法的軟件編程，實現多種數據流格式的音頻解碼，具有很強的軟件升級靈活性，還解決了低功耗的問題。

1 硬件平臺的總體設計

目前業界對MP3解碼系統的解決辦法有兩個方案：一是使用將解碼算法固化到集成電路中去的專用芯片，這些芯片將一些片外資源集成到芯片內部，可以簡化MP3解碼系統實現所需的片外電路，便于整個系統的開發，但由于其算法固化到芯片內部，不能通過軟件升級，而且此類芯片普遍價格偏高。另外一個方案，就是使用通用的DSP來實現MP3解碼系統，這種解決方案對設計人員的軟硬件技能提出了很高的要求，不過其有很好的升級特性，而且可以更方便的改進和優化解碼算法，從而得到更好的音質回放效果，并且和第一種解決方案一樣，其功耗比較低。

綜合各方面的優劣條件，我們選擇了第二種解決方案，即基于通用DSP芯片來實現整個解碼系統的硬件平臺。其硬件系統實現框圖如圖1所示。

圖1 MP3音頻解碼系統的實現框圖Fig. 1 Block diagram of the realization of MP3 audio decoding system

這個框圖大致的畫出了解碼系統的基本組成部分。在圖中，我們采用了512 k的串行EEPROM芯片用于實現bootloader，用CF卡存儲MP3音樂及解碼程序。核心的處理器采用了TI公司的TMS320VC5509 DSP芯片，考慮到其內部的RAM容量有256 kB，而我們的程序大小為80 kB，因此我們在此設計中沒有外擴RAM。

整個硬件平臺的工作流程如下：首先通過USB接口，從PC機中復制MP3音樂，拷貝在大容量CF卡中。然后DSP讀取CF卡的MP3數據進行解碼，還原出PCM信號，再通過DSP的多通道帶緩沖串口(McBSP)傳送給音頻CODEC芯片，最終播放出MP3音樂。

1.1 硬件平臺的具體實現

1.1.1 核心DSP芯片介紹

本方案采用的TMS320C55x系列是TI公司推出的繼C5000系列C5x、C54x后的新型產品。它采用了增強型的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，使用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來快速地實現各種數字信號處理算法。為方便實際中的應用，C55X系列DSP具有各自不同的硬件結構，如在片存儲器和片上外設等，可根據性價比和不同的應用場合靈活選用。由于采用了高度并行硬件結構、模塊化設計，使得C55X系列DSP具有功耗低、速度快等優點。主要用在音頻壓縮、無線通訊等領域。

與5000系列其他芯片相比，TMS320VC5509以其獨有高性能低功耗和低價格特性，使得一推出就受到業內用戶的歡迎。

1.1.2 與計算機的接口設計

與計算機的接口設計使用的是當今十分流行的USB接口，實現從計算機下載數據，5509自帶的USB接口完全符合USB2.0全速接口標準，可與任何外部微控制器實現高速并行接口(12M比特/秒)。

1.1.3 存儲器設計

CF卡被用來存儲音樂和數據文件，它通過DSP的外部存儲器接口（EMIF）與DSP相連，它工作在True-IDE模式和3.3 V的電壓下。我們可以根據系統需要選擇任意容量的CF卡。選用Microchip Technology 公司的64 kB的EEPROM 24LC512存放的是啟動程序，每當上電時，即將CF卡中的程序調入內存運行。

圖2 USB接口連接圖Fig. 2 Connection diagram of USB interface

圖3 DSP與存儲器連接圖Fig. 3 Connection diagram of DSP and ROM

24LC512與DSP的接口采用I2C總線通信。I2C(Inter－Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。I2C總線是由數據線SDA和時鐘線SCL構成的串行總線，可發送和接收數據。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100 kbps。各種被控制電路均并聯在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，I2C總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調整的類別（如音量等）及需要調整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關。其時序圖如圖4所示。

1.1.4 音頻解碼接口設計

音頻CODEC芯片采用的是TI公司的TLV320AIC23。它的主要作用是將DSP解碼后的PCM音頻流通過D/A變換，轉換成模擬聲音信號進行播放。

TLV320AIC23 DSP Codec是德州儀器公司2001年推出的高性能單片立體聲編碼解碼器，數據轉換字長16/20/24/32可選，工作電壓與TMS320C55xDSP的核心和I/O電壓兼容，可實現與C55x DSP串行口的無縫連接，功耗很低，帶有的I2C和SPI總線兼容控制接口能使AIC23編碼譯碼器與其他微處理器共同使用。

其主要特點如下：

1）高性能立體聲編碼解碼器：支持8～96 kHz采樣頻率，90DB ADC, 100DB DAC轉換信噪比，1.42～3.6 V內核數字供電電壓，2.7～3.6 V模擬供電電壓均與C55x DSP兼容。

圖4 I2C時序圖Fig. 4 Sequence chart of I2C

2）可編程多種串行口數據傳輸標準：支持I2C和SPI串口數據傳輸模式，均可以與C55x DSP的McBSP口兼容。

3）內置放大的立體聲輸入輸出(增益可調節)，耳機放大模塊輸出((30 mW) 。

4）低功耗電源管理：錄音重放模式下19 mW，備用狀態小于150 uW，停止狀態小于15 uW。

音頻CODEC與DSP的硬件接口電路如圖5所示。

圖5 DSP與AIC23的接口電路圖Fig. 5 Circuit diagram of the connection between DSP and AIC23

由上圖我們可以看出，DSP VC5509與AIC23的接口可分成兩部分：控制接口部分(McBSPl)和音頻數據接口部分(McBSP0)。其中DSP的McBSP 1口完成AIC23的控制部分功能，此控制口配置為常用的SPI接口模式；而McBSP0口完成音頻數據的傳輸功能，此數據口配置為DSP格式。

AIC23的數字音頻接口支持4種數據格式:Right-Justified；Left-Justified；I2S格式；DSP格式。控制接口的SPI模式時序以及數字音頻接口的DSP模式時序分別如圖6和圖7所示。

1.1.5 電源模塊設計

在電源模塊中，我們選用了TI公司的三款芯片，分別是TPS61103， TPS60500 ，TPS73601。其中TPS61103用于將電池輸入的1到3 V電壓轉換為固定的3.3 V，它為DSP的I/O及其他外設供電。TPS60500用于將3.3 V轉換為DSP需要的內核電壓1.6 V。此系統當通過USB接口與計算機相連時，就可以通過適當的跳線設置不用接電池，TPS73601用于將USB接口提供的5 V電壓轉換為3.3 V。

圖6 DSP與AIC23控制口配置SPI時序圖Fig. 6 Sequence chart of SPI configuration of the control of DSP and AIC23

圖7 DSP與AIC23數字口配置DSP Mode時序圖Fig. 7 Sequence chart of configuration of the control of DSP and AIC23 digital interface

圖8 電源模塊電路圖Fig. 8 Circuit diagram of the power-supply module

2 軟件研究及算法實現

2.1 文件系統的實現

由于實現了FAT32文件系統，因此當此系統通過USB連接到PC機時，在Windows操作系統下將看到它作為一個獨立的存儲器出現，可是通過復制粘貼操作將音樂文件拷貝到CF卡上。

2.2 MP3解碼算法的實現

本方案進行軟件的開發平臺是TI公司的C5000系列的集成開發環境Code Composer Studio 2.0。考慮到MP3解碼軟件的復雜度和可讀性，整個解碼軟件采用DSP的C語言編寫。DSP的C語言具有與標準ANSI C語言相同的語法特點，同時還和DSP硬件相結合，能夠直接控制DSP的在片或外圍設備資源。隨著數字信號處理技術的不斷發展，DSP的C語言編譯器的編譯效率也越來越高，5000系列的C語言編譯器效率能達到60%-70%, C6x系列的編譯器效率高達80%。因此采用C語言來對DSP進行編程是必然的趨勢。

本方案在LIBMAD的基礎上對軟件進行設計。MAD（LIBMAD）是一個開源的高精度 MPEG 音頻解碼庫，支持MPEG-1（Layer I, Layer II 和 LayerIII）。LIBMAD 提供 24-bit的 PCM 輸出，完全是定點計算，非常適合在沒有浮點支持的平臺上使用。使用LIBMAD 提供的一系列 API，就可以非常簡單地實現MP3 數據解碼工作。在LIBMAD 的源代碼文件目錄下的 mad.h 文件中，可以看到絕大部分該庫的數據結構和API 等。

表1 libmad中的主要數據結構Tab.1 The main data structure of libmad

MP3解碼算法雖然復雜，但是整個解碼過程分成各個模塊進行，各個模塊之間相對比較獨立。在整個解碼軟件的設計過程中，對各個模塊采用子函數，各個模塊之間的聯系就表現為函數的參數傳遞。整個解碼軟件由一個主函數控制，調度各個模塊的有序運行。

解碼軟件的程序流程如圖9所示。從圖中我們可以看到對輸入音頻流解碼先經過幀同步，讀入同步頭的信息，得到該MP3碼流的采樣頻率、碼流速率等參數，并記錄現在所解碼的MP3碼流的幀數。然后獲得粒度信息、主信息及定標因子，根據同步頭中所得的MP3碼流的壓縮類型來讀取信息，獲得對應于各自顆粒中的各自通道的相關參數。

然后對一幀中的兩個顆粒進行解碼，首先是從比特流中獲取每個顆粒對應的定標因子，并對每個顆粒下的數據進行哈夫曼解碼，這個哈夫曼解碼過程需要32個哈夫曼碼表之一來進行解碼，可以根據邊帶信息中含有每個顆粒選擇碼表的信息來進行選擇。經過哈夫曼解碼的數據，接下來要經過反量化取樣，在這步中，各個子帶的數據根據所使用窗的類型，利用在邊帶信息中獲得的參數反量化。接下來就是重排序和立體聲處理模塊，在這個模塊中根據MP3碼流所采用的壓縮類型來進行相應的處理。

這樣當處理完一個顆粒中所有通道的數據后，就可以把這一顆粒已解碼好的數據輸出到輸出緩沖區中，當把下一顆粒的數據解碼完畢并輸出后，這樣一幀數據就解碼完成。這幀數據就可以輸入到D/A部分進行播放，并將輸出緩沖區清空，等待下一幀的解碼數據的輸入。解碼程序一直到在比特流中再也找不到一幀的同步頭時，就完成了這一音頻流的解碼。

下圖為解碼流程圖中幾個關鍵模塊。

圖9 解碼軟件流程圖Fig. 9 Flow chart of the decoding software

3 結束語

MP3解碼算法比較復雜，并且市面上大部分便攜式MP3播放器都采用的是硬件解碼器，也就是采用專門的音頻解碼芯片來實現的，然而隨著數字信號處理技術的飛速發展，使得采用通用數字信號處理器(DSP)實現這一解碼算法成為可能，而且在性價比、低功耗和軟件升級靈活性上都優于采用硬件解碼方案的mp3播放器，成為未來MP3市場的發展方向。

[1]蔣學鑫.MP3實時編解碼系統的研究與開發[D].成都：電子科技大學,2007.

[2]胡智華.基于DSP的音頻編解碼系統的設計與算法研究[D].武漢：武漢理工大學,2006.

[3]計丹.基于定點DSP的MP3解碼系統的設計與實現[D].武漢：華中師范大學,2002.

[4]全浩軍,郭繼昌,張濤.通用音頻解碼器驗證系統設計與實現[J].電子技術應用,2011(37):92,94+98.

QUAN Hao-jun,GUO Ji-chang,ZHANGTao.Design and implementation of universal verification system for audio decoder[J].The application of electronic technology,2011(37):92,94+98.

[5]高云紅,劉志群.基于STM32的多功能音頻播放器的設計[J].福建電腦,2012,28(12):108-110.

GAO Yun-hong,LIU Zhi-qun.Multi-function audio player based on the design of STM32[J].Fujian Computer,2012,28(12):108-110.

[6]田學民,張曉境.MP3音頻解碼解碼優化算法[J].電子設計工程,2013(4):146-148.

TIAN Xue-min,ZHANG Xiao-jing.MP3 audio decoding optimization algorithm[J]. Electronic Design Engineering,2013(4):146-148.

[7]Texas Intrument TMS320C55x Code Composer User's Guide[EB/OL].(2004)http://www.ti.com.

[8]Texas Intrument TMS320C55x C Source Debugger User's Guide[EB/OL].(2004)http://www.ti.com.

Design of audio decoding system based on the control of DSP

WANG Xing, WANG Lin,LI Ru-xin
（Electronic Research Institute,National Institute of Measurement and Testing Technology,Chengdu610021,China）

This article has completed the design and realization of the audio decoding system's hardware plane mainly referring to the all-purpose DSP chip of TI Company's C5000 series-TMS320VC5509,researching on MP3's encodingdecoding algorithm and the DSP realization on its hardware plane. The whole system's plane includes minimum system of DSP, FLASH storage, audio CODEC and power, etc. The system downloads the data stream of MP3 format through the communication between USB interface and PC, stores them in FLASH and then reads the MP3 data stream in Flash by DSP, finishes decoding and plays with CODEC.Moreover, the system can also be programmed for other encoding-decoding algorithms for DSP, realizes the audio encoding-decoding for various format of data stream and has a very good flexibility for updating soft, and at the same time solves the problem of lower power consumption.

MPEG; audio decoding; DSP; low power

TN912.16

A

1674-6236(2014)07-0169-05

2013-08-12稿件編號201308081

王 幸(1983—)，男，河北懷來人，碩士，助理工程師。研究方向：計量與測試技術。