（信息与通信工程专业论文）51声道音响系统中无线传输的研究.pdf

摘要 随着人们生活水平的提高，对高品质的音响产品需求越来越大，同时，有线 音响系统的走线既不方便又不美观。现在面市的5 1 声道无线音响系统，不是价格 偏高，就是相比有线音响系统在音质有一定的差距。对低价格高音质的5 1 声道无 线音响系统，市场有较追切的需求。 本论文在理论上论述了一种5 1 声道音响系统的无线传输方案，兼顾了低价和 优质两方面。并以无线m p 3 播放器的形式验证了方案中的设计，其技术对于5 1 声道无线音响系统是有可移植性，也就是说本论文所论述的硬件和软件设计只要 在音源和无线传输通道数量上，稍加修改就可以用到音响系统的开发中。使用无 线m p 3 播放器形式验证传输方案，可以节约成本，简化研发过程，绕开今后可以 借鉴的成熟但又复杂的有线音响系统的技术，是用一种简单的系统去论证一种复 杂的系统。 本论文论述的无线传输方案，提高了无线音响系统音频传输的质量，减小了 数据的传输量，同时较好地解决了音频信号的损耗和之间干扰的问题。 本课题以无线m p 3 播放器的形式论证了所探讨的5 1 声道音响系统无线传输 方案的可行性。为下一步实施音响系统的开发和实施打下基础。本论文探讨的基 于2 4 g 频率传输的低价格高音质的5 1 声道无线音响系统具有较大的潜在市场 论文内容： 1 、论文课题的背景和意义。 2 、论文课题所涉及的技术。 3 、5 1 声道音响系统无线传输方案的提出。 4 、无线m p 3 播放器的硬件设计。 5 、无线m p 3 播放器的软件设计。 6 、系统调试。 关键词：2 4 g ，无线传输，音响系统 a b s l a a e t a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v i n go f t h es t a n d a r do f l i v i n g , t h ed e m a n df o rh i g hq u a l i t ys o u n d p r o d u c t sh a sb e c o m em o l ea n dm o r e s i m u l t a n e i t y , t h el a y o u tw i r eo f w i r e ds o u n d s y s t e mi sn e i t h e rc o n v e n i e n tn o rb e a u t i f u l n o w a d a y s ，t h e5 1 - t r a c kw i r e l e s ss o u n d s y s t e mw h i c hw eg a sf i n di nt h em a r k e ti sr a t h e re x p e n s i v e , a n dt h et i m b r ei sn o ta s g o o d a sw i r e ds o u n ds y s t e m s o t h e r ei sag r e a td e m a n df o r t h e5 i - t r a c kw i r e l e s s s o u n ds y s t e m 谢t hl o wp r i c ca n dh i 曲t i m b r e t i l i sd i s s e r t a t i o nh a sd i s c u s s e dal l e 啊ts c h e m eo f t h e5 1 - t r a c kw i r e l e s ss o u n d s y s t e mw i t hl o wp r i c ea n dh i g ht i m b r e t l l i ss c h e m eh a sb e e na c h i e v e di nt h ef o r mo f w i r e l e s sm p 3p l a y e r n l et e c h n i q u eo f t h ew i r e l e s sm p 3 p l a y e ri st r a n s p l a n t a b l ef o rt h e 5 1 - t r a c kw i r e l e s ss o u n ds y s t e m i tm e a n st h a tt h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r e w h i c hi sd i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , c a nb eu s e di ne x p l o i t i n gt h ew i r e l e s ss o u n d s y s t e me a s i l y , o n l yi f w ec h a n g et h es o u n ds o u r o ea n dt h en u m b e ro f t h ew i r e l e s s t r a n s m i s s i o nt r a c k s t h e r ea r en o to t h e rt e c h n i c a ld i f f c u l i t i e so ne x p l o i t i n gt h e5 1 - t r a c k w i r e l e s ss o u n ds y s t e m ，e x c e p tr e f e r e n c et h et e c h n i q u eo f w i r e ds o u n ds y s t e m i nt h e f o r mo f w i r e l e s sm p 3p l a y e rw ec a ns a v ec o s t , s h o r t e nr e s e a r c hp r o c o s s ，a v o i dt h e w i r e ds o u n ds y s t e mt e c h n i q u ew h i c hi sr i p e , r e f e r e n t i a la n dc o m p l i c a t e d i nt h ef o r mo f w i r e l e s sm p 3 p l a y e r , i tm e a l l sas c i e n t i f i cr e s e a r c hm e t h o do f u s i n ga ne a s ys y s t e mt o d e m o n s t r a t ea c o m p l i c a t e ds y s t e m w eh a v ep r o v e dt h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns c h e m e sf e a s i b i l i t yo f t h e5 1 - t r a c k w i r e l e s ss o u n ds y s t e mi n t h ef o r mo f w i r e l e s sm p 3p l a y e r t h i sw i l lf o u n das o l i db a s e f o r t h e s o u n ds y s t e m se x p l o i t i n g a n d p u t t i n g i n t oe f f e c t t h e m a r k e t o f t h e5 1 一t r a c k w i r e l e s ss o u n ds y s t e md i s c u s s e di nt h ed i s s e r t a t i o n , w h i c hi so nt h eb a s i so f a t r a n s m i s s i o nf r e q u e n c yo f 2 4 g 谢t hl o wp r i c ea n dh i 曲t i m b r e , i sp o t e n t i a la n dl a r g e d i s s e r t a t i o nc o n t e n t ： 1 t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h et a s k 2 t h et e c h n i q u er e f e r e di nt h et a s k 3 t h ep u t t i n gf o r w a r do f t h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ns c h e m eo nt h e5 1 一t r a c ks o u n d a b s t r a c t s y s t e m 4 t h eh a r d w a r ed e s i g no f t h ew i r e l e s sm p 3 p l a y e r 5 t h es o f t w a r ed e s i g no f t h ew i r e l e s sm p 3 p l a y e r 6 t h ed e b u g g i n go f t h es y s t e m k e y w o r d s ：2 4 g w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ，s o u n ds y s t e m l l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：夏垂量塑 日期：2 。7 年争月7 口日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘厂允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：，蠡重蟛导师签名：( 重l 里篮么； 日期：2 0 0 7 年月扩日 第章引言 本章内容包括论文背景、国内外研究现状、课题意义和论文内容安排。 1 1 课题背景 随着电子信息技术的不断发展和人们对视听要求的不断提高，高品质的音响 系统在单位和家庭中大量普及。对音响系统的品质要求也越来越高，同时希望价 格在可承受的范围。 但有线音响系统最大的问题在于众多音箱需要布线。房屋装修时不容易预计 到今后所需的音箱线数量和质量是否满足需要。为了使音响系统有较好的效果， 需要对各个音箱的绝对和相对位置与朝向根据现场情况反复调整。在某些情况下， 有时需要为音源临时配置音箱，接线往往不是很方便。 由于音响系统升级换代非常快，所以安装、使用方便、灵活的无线音响系统 需求非常迫切，数量也非常大。随着数字电视和新一代d v d 的普及，音响系统将 形成升级换代的高峰，无线音响系统将迎来一个需求旺盛时期，中国也将成为无 线音响系统的消费大国。 本课题是由国内的音响厂商和电子科技大学共同发起和提出，目的是研发一 种保证音频质量且价格适中的5 1 声道无线音响系统。 1 2 国内外研究现状 研究高品质的无线音视频传输，是近年来国际上热门的课题。由于高品质的 音视频数据传输量大，无线传输技术复杂，同时实用性强又具有广阔的应用空间。 国内外很多公司、研究单位都投入大量人力、物力进行这方面的研发和生产。 近几年，随着蓝牙技术的成熟和广泛应用。国内外在研发无线音响系统时， 基本都淘汰了原来红外线等技术，几乎所有研发的方向都是基于2 4 g 频段的。 现在从音像制品和音响系统两方面来看，5 1 声道的音频输出是现在和未来一 段时间的主流，所以本论文讨论的音响系统在不做说明的情况下，都是指5 1 声道 电子科技大学硕士学位论文 的音响系统。在无线音响方面技术领先的仍然是原来老牌的音响厂商，其技术路 线基本上是为了保证音频信号的高质量的传输，采用复杂的分立元件搭设射频发 送与接收电路，几乎所有元器件都是定制的【u 。其输出音质与一般的有线音响系统 相当，同比同性能的有线音响系统，价格贵一倍以上。除了带新功能的产品定价 稍高，成本上升也是不可忽略的重要因素。现在也有很多研究机构致力于开发专 业的音响系统，但都还未公布有重大的技术突破。 在国内，专业的音响系统生产厂商普遍技术力量都不强，也零星有一些无线 音响系统研发和生产，音质效果普遍都比有线音响系统有较大差距。值得一提的 是，一套2 0 0 6 年底推出的5 1 声道无线音响系统，这款音响系统采用了挪威 n o r d i c 公司推出不久的n r f 2 4 z l 芯片和2 4 g 传输技术，详细的技术将在正文中 涉及。这款产品的宣传是音质达到h i 。f i 的水平，这是一个模糊的概念，从技术资 料看这套无线音响系统的技术指标只达到普通m p 3 的水平，但已是相当不错。这 套产品是针对以电脑为音源开发的，离达到家庭或专业使用的音响系统的水平还 有一定的差距。使用低成本的元器件研发和生产高音质的无线音响系统，即拥有 有线系统高质量的音质，同时获得无线系统的方便、灵活，但又不付出昂贵的代 价，这是消费者期望的，也是研发人员的目标。 1 3 课题意义 在本课题中讨论了一种5 1 声道音响系统的无线传输方案，借助无线m p 3 播 放器的结构对这种无线传输方案进行了探讨。在5 1 声道音响系统的无线传输方 案中，每个声道的信号的无线传输是独立的，如果无线m p 3 播放器试验成功，并 且指标参数符合要求，将可以解决无线音响系统的无线传输问题。再参照有线音 响系统的音频处理技术，将可以完成5 1 声道无线音响系统的研发。 1 4 论文结构与安排 论文内容安排： 第一章介绍论文的背景及课题的意义，说明本课题的必要性和努力的方向。 第二章介绍课题所涉及的知识，对本论文所涉及的主要技术进行一个大体地介绍。 2 第一章引言 第三章是方案的讨论，主要论述在理论上如何提出5 1 声道无线音响系统的方案。 第四章介绍无线m p 3 播放器硬件的设计，同时讨论这种硬件技术移植到无线音响 系统的可行性。第五章介绍无线m p 3 播放器软件的设计，同时讨论这种软件技术 移植到无线音响系统的可行性。第六章介绍无线m p 3 播放器调试中遇到的主要问 题以及指标的检测。第七章是结论部分，总结课题意义和成果，展望下一步工作， 同时提出下一步可能遇到的问题。 电子科技大学硕士学位论文 第二章课题所涉及到的技术 本章介绍了课题所用到的几个关键的技术： 2 4 g 数字调制解调和传输技术，u s b 传输技术，m p 3 音乐格式，f l a s h 储 存设备。 2 12 4 g 数字调制解调和传输技术 2 4 g 数字调制解调和传输技术现在普遍采用的是蓝牙技术。这是一种正在发 展中的短距离无线连接技术，它直接面对个人和商务的无线连接应用，可以同时 进行数据和语音传输，传输速率最高可达到1 0 m b s 。蓝牙技术的应用被认为非 常广泛而且极具潜力【2 】。 蓝牙协议【3 】工作在2 4 g 的i s m ( t 业、科学和医疗) 频段，发射距离一般可达 1 0 米，当检测到距离小于l o 米时，接受设备可动态调节功率，当业务量减小或停 止时，蓝牙设备可自动进入低功率工作模式。蓝牙技术还采用了跳频技术来消除 干扰和降低衰落。这种低功耗的无线技术，目的是取代现有的计算机、打印机、 传真机和移动电话等设备的有线接口。主要优点有：用无线方式来代替有线电缆 连接；具有很强的可移植性，可应用于多种通信场合，如w a p 、g s m 、d b c t 等； 功耗低，对人体危害极小；b l u e t o o t l l 集成电路应用简单、成本低廉、实现容易、 易于推广。 由于b l u e t o o t l l 技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，因而应用场合很 普遍。同时b l u e t o o t l l 协议可以固化为一个芯片，采用标准b g a 封装方式实际尺 寸比西服的纽扣还要小，因而可以很方便的应用于电子产y 中t 4 1 。 b l u e t o o l l l 技术适用于任何数据、图象、声音等短距离通信场合，移动电话与 台式电脑、笔记本电脑和掌上电脑的自动同步将成为自然，用户一旦进入范围， 这些设备即会实现同步。在飞机上写电子邮件也是可以的，因为即使用户的个人 电脑放在手提箱内，还可以通过电话收电子邮件，通过移动电话屏幕阅读自b 件标 题等，一下飞机，就可通过移动电话把电子邮件发出去。f 5 】因此，同步是蓝牙产品 的核心应用方案，例如： 1 ) 手机与计算机连接：目前多数通过k d a 红外线或r s 2 3 2 串口线来相连， 4 第二章课题所涉及到的技术 b l u e t o o t h 取而代之，不仅方便而且资料传送的速度也不用担心，也许将来的手机 下部的连接器将会消失或是变得更简单化。 2 ) 手机兼作无绳电话：内置b l u e t o o t h 芯片的手机，在家里可以自动并入固定 网当作无绳电话使用，不用双向收费，而且通话质量好。离开屋子一段距离后便 自动切换至无线网络基站上。 3 ) 数据共享、同步，办公更便捷：无论手机、计算机、p d a 、打印机或是数码 相机、m p 3 播放器、肋播放器都利用蓝牙互传【6 】语音、文字、图像、文件，笔 形蓝牙鼠标更是增加了扫描仪的功能，能够自动侦测并感应包括文字和条形码在 内的资料，市场前景颇为看好。目前许多外设制造商也纷纷开始制造蓝牙产品， 无可置疑，蜘蛛网式的办公环境将不复存在。 4 ) i n t e r n e t 接入；内置b l u e t o o t h 芯片的笔记本计算机或手机门等，不仅可以使 用公用电话交换网、i s d n 、l a n 、a d s l 等，还可利用蜂窝式移动网络进行家庭 网络、高速无线内部网络高速连接。 5 ) 无线免提：在开车途中，有了蓝牙耳机，你可以随时接听来电，却可能根 本想不起来手机放在哪里。当然，免提手机不是汽车的独有，具有蓝牙话筒、扬 声器、视频头的电脑，多方“免提”视频会议也易如反掌。 6 ) 影像传递：爱立信推出蓝牙p d a 手机，支持w a p 、h t m l 浏览器、g p s 、 g p r $ ，机内使用专用的操作平台，同带有蓝牙传送配件的p a l m 类掌上计算机随 时可以交换资料。富士公司生产的f i n e p i xs i p r o 单反数码相机支持蓝牙传送，照 片只需5 秒钟就能传送至n o k i a 9 1 1 0 手机，当然也可以直接将影像送入打印机即拍 即现。 总之，越来越多的企业逐步意识到蓝牙技术的低功耗和低成本解决方案是理 想的，考虑给自己的设备增加无线连接，蓝牙收发器已经越来越多的嵌入到了从 p c 机到工业设备的各种设备中。 蓝牙技术尚有一些细节问题需要进一步解决，诸如： b l u e t o o t h 具有全方位的特性，若是设备众多，采用靠近或是瞄准的方法是徒 劳的，如何识别呢? 可能需要用户强迫从设备列表中选定某个设备( 例如根据它 的4 8 位地址或设备名) 。 蓝牙具有一对多的数据交换能力，故需要安全系统防止未经授权的访问。 目前i e e e 8 0 2 1 1 协议同样采取这一频段，如果你带一台b l u e t o o t h 的设备来 到一个装备i e e e 8 0 2 ，1 1 无线网卡的局域网环境，将会引起干扰，目前尚无解决方 案。 5 电子科技大学硕士学位论文 蓝牙技术应用展望： 蓝牙即将广泛应用于无线设备( 手机、p d a 、智能电话) 、图像处理( 数码相 机、打印机、扫描仪) 、安全产品( 智能卡、身份识别、票据管理、安全检查) 、 消费娱乐( 游戏机、m p 3 、耳机) 、汽车产品( g p s 、a b s 、动力系统、安全气囊) 、 家用电器( 电视机、冰箱、微波炉、音响) 、医疗健身、建筑施工设备、玩具等 领域。 2 2u s b 传输技术 u s b 协议定义通过使用集线器r ( h u b ) 扩展可外接多达1 2 7 个外设。u s b 的电缆 有四根线，两根传送的是5 v 的电源，另外的两根是数据线。功率不大的外围设备 可以直接通过u s b 总线供电，而不必外接电源。u s b 总线最大可以提供5 v ，5 0 0 m a 电流，并支持节约能源的挂机和唤醒模式。 u s b 的设备可以分成多个不同类型，同类型的设备可以拥有一些共同的行为 特征和工作协议，这样可以使设备驱动程序的编写变得简单一些。u s bf o r u m 在 u s b 类规范2 中定义了u s b 的设备类型，比如音频、通信、h i d 、h u b 等设备类 嘲。 每一个u s b 设备会有一个或者多个的逻辑连接点在里面每个连接点叫端点。 在u s b 的规范中用4 位地址标识端点地址，每个设备最多有1 6 个端点。端点0 都被用来传送配置和控制信息。管道实现了在主机的一个内存缓冲区和设备的端 点之间的数据传输，连接端点0 的叫做缺省管道。管道是具有多个特征的信道， 如带宽分配，包大小，管道类别以及数据流向。管道有两种类型分别是流管道 ( s t r e a m p i p e ) 和消息管道( m e s s a g e p i p e ) 。流管道传输的数据包的内容不具有u s b 要 求的结构，它是单向传输的；流管道支持批量、等时和中断传输方式。而消息管 道与流管道具有不同的行为。首先，由主机发请求给u s b 设备，然后在适当的方 向上传输数据，最后是到达一个状态阶段。为了保证三个阶段的数据传输，消息 管道定义了一个数据结构使命令可靠地被识别和传输。消息管道是双向的，它只 支持控制传输方式。对于同样性质的一组端点的组合叫做接口，如果一个设备包 含不止一个接1 2 1 就可以称之为复合设备。 对于同样类型接口的组合可以称之为配置。但是每次只能有一个配置是可用 的，而一旦该配置被激活，里面的接1 3 和端点就都同时可以使用。主机从设备发 过来的描述字中来判断用的是哪个配置哪个接1 2 1 等等而这些描述字通常是在端点 6 第二章课题所涉及到的技术 0 中传送的。 一台主机到设备的连接需要许多层与实体之间的相互作用。u s b 总线接口层 提供了主机和设备之间的物理信令包的连接。在系统软件看来，u s b 设备层 执行的是一般的u s b 操作。功能接口层提供和应用软件层相对应的附加功能。虽 然逻辑上u s b 设备层和功能层各自与主机上的相应层通信，但物理上都是通过 u s b 总线接口层实现数据传输的。 u s b 提供了四种传输方式，以适应各种设备的需要。这四种传输方式分别是： 控制传输方式：控制传输是双向传输，数据量通常较小，主要用来进行查询、 配置和给u s b 设备发送通用的命令：控制传输主要用在主计算机和u s b 外设中端 点0 之间。 等时传输方式：等时传输提供了确定的带宽和间隔时间。它被用于时间严格 并具有较强容错性的流数据传输，或者用于要求恒定的数据传送率的即时应用中。 例如进行语音业务传输时，使用等时传输方式是很好的选择。 中断传输方式：中断方式传送是单向的并且对于主机来说只有输入的方式。 中断传输方式主要用于定时查询设备是否有中断数据要传送，该传输方式应用在 少量的、分散的、不可预测的数据传输。键盘、游戏杆和鼠标就属于这一类型。 大量传输方式：主要应用在没有带宽和间隔时间要求的大量数据的传送和接 收，它要求保证传输。打印机和扫描仪属于这种类型。 在开发u s b 设备时通过设置接口芯片中相应的寄存器使端点处于不同的工作 方式。 u s b 的物理协议规定了在总线上传输的数据格式，一个全速的数据帧有1 5 0 0 字节，而对于低速的帧有1 8 7 字节。帧的作用是分配带宽给不同的数据传送方式。 一个最小的u s b 的数据块叫做包，包通常有同步信号，包标识，地址、传送 的数据和c r c 。包的1 d 由八位组成，其中后四位是纠错位。根据包功能的不同， 在u s b l 1 中定义了以下四类十种： t o k e n0 u t 玎呵s o fs e l l ) p d a t ad a i a 0d 蛆a 1 h a n d s h a k e a c k n a ks t a i i s p e c i a lp i l e 在u s b 2 0 中又增加了几种类型的包以满足高速传输的需要。其中d a t a 类型增 加了d a t a 2 和m d a t a ，h a n d s h a k e 类型增加了n y e t ，s p e c i a l 类型则增加了e r r ， s p l i t ，p i n g ，r e s e r v e d 。 7 电子科技大学硕士学位论文 事务是在主机和设备之间不连续地数据交换。一个事务通常由主机开始，一 般分三个阶段，第一阶段发送t o k e n 包，第二阶段发送是d a t a 包( 可以向上也可 以向下) ，在数据包传送完之后，就会由设备返回一个h a n d s h a k e 包。 当客户端程序通过一个u s b 管道发送或接收数据时，它首先会调用 w i n 3 2 a p l ，a p l 会发送一个1 r p 到u s b 设备驱动程序。u s b 设备驱动程序的任 务就是把客户端的请求通过一个管道发送到外设合适的端点。为了实现这个任务， u s b 设备驱动程序会递交请求给总线驱动程序，总线驱动程序可以把这些请求转 变成事务，然后将这些事务组合成帧在总线上传输。 在u s b l 1 标准中将其有效的带宽分成帧，每帧通常是l m s 长。但由于u s b 2 0 的传输速率可高达4 8 0 m b p s ，因此在u s b 2 0 增加了一种微帧，它只有原来帧的 1 8 ，这使得在传输数据时使用更小的缓冲。在完成了系统的配置信息和连接之后， u s b 的主机就会对不同的端点和传输方式做一个统筹安排，用来适应它的带宽。 对全速和低速的端点，系统为等时和中断方式的传输保留整个带宽的9 0 ，即占 每个帧时间的9 0 ，剩下的就安排给控制方式传送数据。在u s b 2 0 中，对于高速 的端点，则为等时和中断方式的传输保留每个微帧的8 0 。 2 3m p 3 音乐格式 m p 3 是m p e g ll a y e r - 3 音频文件，文件是由帧( 丘锄e ) 构成的，帧是m p 3 文件 最小的组成单位。m p e g 音频文件是m p e g l 标准中的声音部分，也称为m p e g 音频层。其中，音频层根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层，即l a y e r - 1 、 l a y e r - 2 、l a y e r - 3 ，分别对应m p l 、m p 2 、m p 3 格式这三种声音文件。在应用中 针对不同层次的应用和用途，使用不同层次的编码。m p e g 编码层次越高，编码 器越复杂，压缩率也越高。m p l 的压缩率可以达到4 ：l ，m p 2 的压缩率可以分别 达到6 ：1 到8 ：1 ，而m p 3 的压缩率则可以高达1 0 ：1 到1 2 ：1 【9 】。不过m p 3 对 音频信号采用的是有损压缩方式，为了降低声音失真度，m p 3 采取了“感官编码 技术”，即编码时先对音频文件进行频谱分析，然后用过滤器滤掉噪声电平，接着 通过量化的方式将剩余的每一位重新排列，最后形成具有较高压缩比的m p 3 文件， 并使压缩后的文件在回放的时候能够达到比较接近原音源的声音效果【1 0 】。 m p 3 文件】结构大体分为三部分：t a g ， ) v 2 ( i d 3 v 2 ) f r a m e t a gv 1 ( i d 3 v 1 如下表【l l ： s 第二章课题所涉及到的技术 表2 一l m p 3 文件结构 i d 3 v 2 包含了作者，作曲，专辑等信息，长度不固定，扩展了i d 3 v 1 的信息量 f r 锄e一系列的帧，个数由文件大小和帧长决定。每个帧的长度 可能不固定，也可能固定，由位率b i t r a t e 决定。每个帧又分 为帧头和数据实体两部分，帧头记录了m p 3 的位率，采样率， 版本信息，每个帧之间相互独立 i d 3 v 1包含了作者，作曲，专辑等信息，长度为1 2 8 b y t e 每个f r a m e 都有一个帧头f i 队m e h e a d e r ，长度是4 b y t e ( 3 2 b i t ) ，帧头 后面可能有两个字节的c r c 校验，这两个字节的是否存在决定于 f r a m e h e a d e r 信息的第1 6 b i t ，为0 则帧头后面无校验，为1 则有校验，校验值 长度为2 个字节，紧跟在f r a m e h e a d e r 后面，接着就是帧的实体数据了，格 式如下表： 表2 2f r a m e 帧 l f r a m e h e a d e rc r c ( f r e e )m a i n d a t a 4 b y t e 0 0 r 2 b y t e长度由帧头计算得出 每帧的播放时间：无论帧长是多少，每帧的播放时间都是2 6 m s ； 数据帧大小： f r a m e s i z e = ( “m p e g v e r s i o n m p e g l71 4 4 ；7 2 ) + b i t r a t e ) s a m p l i n g r a t e ) + p a d d i n g b i t 例如：b i t r a t e = 1 2 8 0 0 0 , s a m p l i n g r a t e = 4 4 1 0 0 ，p a d d i n g b i t = 1 ，f r a m e s i z e = ( 1 4 4 1 2 8 0 0 0 ) 4 4 1 0 0 + 1 = 4 1 7 b y t e s m a i n _ d a t a ： m a i nd a t a 部分长度是否变化决定于f r a m e h e a d e r 的b i t r a t e 是否变化， 一首m p 3 歌曲，它有三个版本；9 6 k b p s ( 9 6 千比特位每秒) 、1 2 8 k b p s 和1 9 2 k b p s k b p s ( e 特位速率) ，表明了音乐每秒的数据量，k b p s 值越高，音质越好，文件也越 大，m p 3 标准规定，不变的b i t r a t e 的m p 3 文件称作c b r ，大多数m p 3 文件都是 c b r 的，而变化的b i t r a t e 的m p 3 文件称作v b r ，每个f r a m e 的长度都可能是 变化的。下面c b r 和v b r 的不同点： c b r ：固定位率的f r a m e 的大小也是固定的( 公式如上所述) ，只要知道文 件总长度，和帧长即可由播放每帧需2 6 m s 计算得出m p 3 播放的总时间，也可以 9 电子科技大学硕士学位论文 通过计算帧的个数控制快进、快退慢放等操作。 v b r ：v b r 是x i n g 公司推出的算法，所以在m p 3 的f r a m e 里会有“x i n g ”这 个关键字，它存放在m p 3 文件中的第一个有效f r a m e 里，它标识了这个m p 3 文件是v b r 的。同时第一个f r a m e 里存放了m p 3 文件的f r a m e 的总个数，这就 容易获得了播放总时间，同时还有1 0 0 个字节存放了播放总时间的1 0 0 个时问分 段的f r a m e 的i n d e x ，假设4 分钟的m p 3 歌曲，2 4 0 秒，分成1 0 0 段，每两个相邻 i n d e x 的时间差就是2 4 秒，所以通过这个i n d e x ，只要前后处理少数f r a m e ，就能 快速找出我们需要快进的f r a m e 头。 i d 3 v 1 比较简单，它是存放在m p 3 文件的末尾，用1 6 进制的编辑器打开一 个m p 3 文件，查看其末尾的1 2 8 个顺序存放字节。i d 3 v 1 的各项信息都是顺序存 放，没有任何标识将其分开，比如标题信息不足3 0 个字节，则使用o 补足，否 则将造成信息错误。 i d 3 v 2 到现在一共有4 个版本，但现在流行的播放软件一般只支持第3 版， 即i d 3 v 2 3 。由于i d 3 v 1 记录在m p 3 文件的末尾，i d 3 v 2 就只好记录在m p 3 文 件的首部了。也正是由于这个原因，对i d 3 v 2 的操作比i d 3 v 1 要慢。而且i d 3 v 2 结构i d 3 v 1 的结构要复杂得多，但比前者全面且可以伸缩和扩展。每个i d 3 v 2 3 的标签都一个标签头和若干个标签帧或一个扩展标签组成。关于曲目的信息如标 题、作者等都存放在不同的标签帧中，扩展标签头和标签帧并不是必要的，但每 个标签至少要有一个标签帧。标签头和标签帧一起顺序存放在m p 3 文件的首部。 在文件的首部顺序记录1 0 个字节的i d 3 v 2 3 的头部。 标志字节一般为0 ，定义如下：a b c 0 0 0 0 0 a 一表示是否使用u n s y n c h r o n i s a t i o n b 一表示是否有扩展头部，一般没有( 至少w i n a m p 没有记录) ，所以一般也不 设置 c 一表示是否为测试标签( 一般不用设置) 标签大小： 一共四个字节，但每个字节只用7 位，最高位不使用恒为0 。所以格式如下 0 x x x x x x x0 x x x x x x x0 x x x x x x x 0 x x x x x x x 计算大小时要将0 去掉，得到一个2 8 位的二进制数，就是标签大小。 标签帧：每个标签帧都有一个l o 个字节的帧头和至少个字节的不固定长度 的内容组成。它们也是顺序存放在文件中，和标签头和其他的标签帧也没有特殊 的字符分隔。得到一个完整的帧的内容只有从帧头中的内容大小后才能读出，读 1 0 第二章课题所涉及到的技术 取时要注意大小，不要将其他帧的内容或帧头读入 帧头的定义如下： c h a r f r a m e l d 4 ； 用四个字符标识一个帧，说明其内容，稍后有常用的 表示对照表奉 c h a rs i z e 4 ；车帧内容的大小，不包括帧头，不得小于1 c h a rf l a g s 2 ； 幸存放标志，只定义了6 位，稍后详细解说吖 帧标识： 用四个字符标识一个帧，说明一个帧的内容含义，常用的对照如下： t r r 2 = 标题表示内容为这首歌的标题，下同。 t p e l = 作者 t a l b = 专辑 t r c x - - - 音轨格式：n m 其中n 为专集中的第n 首，m 为专辑中共m 首，n 和m 为a s c i i 码表示的数字 t y e r - - - 年代是用a s c i i 码表示的数字 t c o n - - 类型直接用字符串表示 c o m m = 备注格式：“e n g 0 备注内容“，其中e n g 表示备注所使用的自然语 言 大小为每个字节的8 位全用。标志：只定义了6 位，另外的l o 位为0 ，但大 部分的情况下1 6 位都为0 就可以了。格式如下： a b c 0 0 0 0 0i j k 0 0 0 0 0 a 一标签保护标志，设置时认为此帧作废 b 一文件保护标志，设置时认为此帧作废 c 一只读标志，设置时认为此帧不能修改 i 一压缩标志，设置时一个字节存放两个b c d 码表示数字 j 一加密标志 k 一组标志，设置时说明此帧和其他的某帧是一组 值得一提是w i n a m p 在保存和读取帧内容的时候会在内容前面加个o ，并 把这个字节计算在帧内容的大小中。 2 4 f l a s h 存储设备 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。i n t e l 于1 9 8 8 年首 电子科技大学硕士学位论文 先开发出n o rf l a s h 技术，彻底改变了原先由e p r o m 和e e p r o m 一统天下的局 面。紧接着，1 9 8 9 年，东芝公司发表了n a n df l a s h 结构，强调降低每比特的成本， 更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级【1 2 l 。 相“f l a s h 存储器”经常可以与相 n o r 存储器”互换使用。n a n d 闪存技术相对 于n o r 技术的优越之处，在于大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时 n o r 闪存更适合一些。而n a n d 则是高数据存储密度的理想解决方案。 n o r 的特点是芯片内执行( ) ( i p ，e x e c u t ei np l a c e ) ，这样应用程序可以直接在 f l a s h 闪存内运行，不必再把代码读到系统r a m 中。 n o r 的传输效率很高，在1 4 m b 的小容量时具有很高的成本效益，但是很 低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除 的速度也很快。应用n a n d 的困难在于f l a s h 的管理和需要特殊的系统接口。 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编 程。任何f l a s h 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况 下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。n a n d 器件执行擦除操作是十分简单 的，而n o r 则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0 。 由于擦除n o r 器件时是以6 4 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入，擦除操作 的时间为5 s ，与此相反，擦除n a n d 器件是以8 3 2 k b 的块进行的，执行相同的 操作最多只需要4 m s 。 执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了n o r 和n a d n 之间的性能差距，统 计表明，对于给定的一套写入操作( 尤其是更新小文件时) ，更多的擦除操作必须在 基于n o r 的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的 各项因素。 n o r 的读速度比n a n d 稍快一些。 n a n d 的写入速度比n o r 快很多。 n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快。 大多数写入操作需要先进行擦除操作。 n a n d 的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。 n o r f l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其 内部的每一个字节。 n a n d 器件使用复杂的i o 口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可 能各不相同。8 个引脚用来传送控制、地址和数据信息。 1 2 第二章课题所涉及到的技术 n a n d 读和写操作采用5 1 2 字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很 自然地，基于n a n d 的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。 n a n df l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，由于生产过程更为简单， n a n d 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。 n o rf l a s h 占据了容量为i 1 6 m b 闪存市场的大部分，而n a n df l a s h 只是用 在8 1 2 8 m b 的产品当中，这也说明n o r 主要应用在代码存储介质中，n a n d 适 合于数据存储，n a n d 在c o m p a c t f l a s h 、s e c u r ed i 【g i t a l 、p cc a r d s 和m m c 存储 卡市场上所占份额最大。 采用f l a b s 介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展m t b f 的 系统来说，f l a s h 是非常合适的存储方案。可以从寿命( 耐用性) 、位交换和坏块处 理三个方面来比较n o r 和n a _ n d 的可靠性。 在n a n d 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而n o r 的擦写次数是 十万次。n a n d 存储器除了具有1 0 比1 的块擦除周期优势，典型的n a n d 块尺 寸要比n o r 器件小8 倍，每个n a n d 存储器块在给定的时间内的删除次数要少 一些。 所有f l a s h 器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下( 很少见，n a n d 发生的 次数要比n o r 多) ，一个比特位会发生反转或被报告反转了。 一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故 障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。 当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探s g 错误更j e ( e d c e c c ) 算 法。位反转的问题更多见于n a n d 闪存，n a n d 的供应商建议使用n a n d 闪存的 时候，同时使用e d c e c c 算法。 这个问题对于用n a n d 存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地 存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用e d c e c c 系统 以确保可靠性。 n a n d 器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现 成品率太低，代价太高，根本不划算。 。 n a n d 器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。 在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故