（计算机软件与理论专业论文）基于sopc的mp3编解码器的设计与实现.pdf

v 气t h e s i sf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ri nc o m p u t e rs o f t w a r ea n d t h e 。呵 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm p 3c o d e cb a s e d o ns o p c b ys h a n g m i a o h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl ij i n g j i a o n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 - i l - l _ 曩 t-r-_ | 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：也 总o 学位论文作者签名：尚囊匆茨 日期：少矽岔7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：恂掀导师签名荡南氓 签字e l 期：7 以矽留7 签字曰期：以7 东北大学硕士论文摘要 基于s o p c 的m p 3 编解码器的设计与实现 摘要 目前国内外针对m p 3 编解码器的研究主要着重基于单片机的音频编解码， 这样的系统有局限性，主要是扩展功能差，功耗大，很多主流功能都不兼容。在 应用需求的牵引和r i 技术的推动下，基于s o p c 系统的开发在音频编解码处理 领域的应用也日益增多。本课题的研究目标是设计出一个基于s o p c 平台的m p 3 编解码器。 本文针对s o p c 系统的特点和现实中的应用需求，研究实现了一套基于 a l t e r a 的c y c l o n c i i2 c 3 5 处理器的m p 3 音频编解码器，并且可以挂载u s b 设备。 以c y c l o n e i i2 c 3 5 为核心，通过开发音频处理的s o p c 构件，将m i c 采集的音 频数据传到n i o s i i 软核处理器上，再通过况c l i n u x 操作系统下音频编码程序进行 编码，形成m p 3 文件存储在u s b 设备上，解码程序实现了m p 3 数字音频信息 转化为p c m 数据。该系统扩展性强，应用广泛，移植了# c l i n u x 操作系统，可 以方便地进行后续开发增加用户所需功能。从而提高了设备的智能程度，具有一 定的工程实用价值。 本文从软件和硬件两方面实现了s o p c 系统开发过程的相关模块。系统硬件 控制平台的研究主要包括：基于n i o s i i 软核处理器的s o p c 系统的结构，音频处 理模块的功能和结构，以及d e 2 开发板的应用要求；系统软件运行平台的研究 主要包括：# c l i n u x 操作系统介绍，m p 3 编解码器的设计，以及# c l i n u x 环境下 编解码程序的移植等工作。介绍了a v a l o n 总线的结构，组成硬件平台的n i o s i i 系统组成模块，m p 3 编解码算法的原理等基于s o p c 的m p 3 编解码器开发中所 使用的主要相关技术。最后给出测试结果和列出了遇到问题的解决方案。 实验表明，该系统编解码准确，可操作性强，能满足系统的基本要求，而且 移植了# c l i n u x 操作系统，可以方便地进行后续开发增加用户所需功能，具有广 泛的应用前景。 关键词：s o p c ：m p 3 编解码器；n i o s 软核；# c l i n u x ；d e 2 i i - ，；， 东北大学硕士论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fm p 3c o d e c b a s e do ns o p c a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho fm p 3e o d e ci sf o c u s e dm a i n l yo na u d i oc o d e co nm c u a b o u ta th o m ea n da b r o a d 。t h es y s t e m sh a v el i m i t a t i o n s t h em a i nd e f e c t sa r et h e p o o re x t e n d e df u n c t i o n ，h i 曲l o s so f p o w e ra n dn o n - c o m p a t i b l ew i t hp o p u l a rf u n c t i o n w i mt h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ea p p l i c a t i o nn e e d sa n di t , t h er e s e a r c hb a s e do n s o p cs y s t e mg r o w sf a s ti nt h ef i e l d so fa u d i oc o d e c t h ca i mo ft h et h e s i si st o d e v e l o pa nm p 3c o d e c b a s e do nt h es o p cp l a t f o r m i nt h i sp a p e r , a s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t si nr e a l i t yo f s o p cs y s t e ma r ec o n s i d e r e d ，as e to fm p 3c o d e cb a s e do na l t e r a sc y c l o n e l i2 c 3 5 p r o c e s s o ri sd e v e l o p e d ，w h i c hm a ym o u n tu s bd e v i c e 。t a k i n gt h ec y c l o n e l i2 c 35a s t h ec o r e ，t h ea u d i o p r o c e s s i n gc o m p o n e n tb a s e do ns o p ci sd e v e l o p e d ，w h i c h t r a n s f o r mt h ea u d i od a t ac o l l e c t e db yt h em i ct on i o s l is o f t - c o r ep r o c e s s o r ，a n dt h e n t h o s ed a t aa r ec o d e di n t om p 3f i l ew h i c ha r es t o r e di nt h eu s bd e v i c eb ya u d i o c o d i n gp r o g r a mi nt h e z c l i n u xo s ，a n dt h et r a n s f o r m a t i o no fm p 3d i g i t a la u d i o i n f o r m a t i o nt op c md a t ai sr e a l i z e db yt h ed e c o d i n gp r o g r a m t h es y s t e mh a st h e s t r o n ge x p a n d a b i l i t ya n dw i d ea p p l i c a t i o na n d z c l i n u xi st r a n s p l a n t e d ，w h i c hi s c o n v e n i e n tt oc o n t i n u es u b s e q u e n td e v e l o p m e n tf o ra d d i n gu s e r sn e e d s s oi t i m p r o v e st h ei n t e l l i g e n c ed e g r e eo fd e v i c ea n dh a st h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gv a l u e i nt h i sp a p e r , t h er e l a t e dm o d u l e so fm p 3c o d e cb a s e do ns o p cs y s t e ma r e r e a l i z e df r o mt w or e s p e c t so fs o l 际w a r ea n dh a r d w a r e t h er e s e a r c ho fs y s t e m a t i c h a r d w a r ec o n t r o l l i n gp l a t f o r mm a i n l yi n c l u d e s ：t h ea r c h i t e c t u r eo fs o p cs y s t e m b a s e do nn i o s s o c o r ep r o c e s s o r , t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo ft h ea u d i op r o c e s s m o d u l e ，a n dt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so fd e 2d e v e l o p m e n tb o a r d ；t h er e s e a r c ho f s y s t e m a t i cs o f t w a r eo p e r a t i o np l a t f o r mm a i n l yi n c l u d e s ：t h ei n t r o d u c eo f z c l i n u xo s ， t h ed e s i g no fm p 3c o d e e ，a n dh o wt ot r a n s p l a n tc o d e cp r o g r a mu n d e rt h ee n v i r o n m e n t o f # c l i n u xe t c t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo fa v a l o nb u s ，n i o s l is y s t e mw h i c h c o n s t i t u t e sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dt h em p 3a l g o r i t h mp r i n c i p l e ，w h i c ha r em a i n r e l a t e dt e c h n o l o g yt h a ta r eu s e di nt h ed e v e l o p m e n to f m p 3c o d e c b a s e do ns o p c a t l a s tt h ep a p e rg i v e st h ed e b u g i n gr e s u l t sa n dl i s t st h es o l u t i o n so ft h ep r o b l e m 乃ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v e l o p e ds y s t e ma r ea c c u r a t et oc o d ea n d d e c o d et h ea u d i od a t a , a n da r ee a s yt ob eo p e r a t e d ，a n dm e e tt h eb a s i cs y s t e m r e q u i r e m e n t s i th a sb e e nt r a n s p l a n t e dw i t h # c l i n u xo s ，w h i c hi se a s yt oc o n t i n u e s u b s e q u e n td e v e l o p m e n tf o ra d d i n gu s e r sn e e d s s ot h es y s t e mh a saw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t k e yw o r d s ：s o p c ；m p 3c o d e c ；n i o ss o f t - c o r e ；x c l i n u x ；d e 2 。k i - 东北大学硕士论文 目录 目录 独创性声明i 摘要 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 课题研究背景1 1 2 音频编码技术的发展及国内外现状1 1 3 国内外s o p c 在多媒体控制系统的应用现状3 1 4 论文的组织结构5 第2 章m p 3 编解码器的相关技术介绍7 2 1m p 3 标准简介7 2 2m p 3 编码与解码算法的原理8 2 2 1m p 3 编码算法原理8 2 2 2m p 3 解码算法原理9 2 3 基于n i o s l i 软核的s o p c 系统架构1 0 2 3 1 简单的s o p c 系统1 1 2 3 2n i o s i i 软核处理器一1 1 2 3 3a v f l o n 总线1 2 2 4 嵌入式# c l i n a x 操作系统1 4 2 5 音频信号编解码芯片17 2 6 小结18 第3 章m p 3 编解码器的总体设计1 9 3 1m p 3 编解码器的总体设计1 9 3 2m p 3 编解码器的声音采样形式2 0 3 3m p 3 编解码器的硬件环境2 1 3 - 3 1m p 3 编解器的开发平台2 1 3 3 2q u a r t u s l l 和s o p cb u i l d e r 2 2 3 4m p 3 编解码器的软件环境2 4 3 5 小结2 6 第4 章m p 3 编解码器硬件的设计与实现2 7 4 1m p 3 编解码器硬件的详细设计2 7 东北大学硕士论文 目录 4 1 1 编解码器的硬件结构2 7 4 1 - 2a u d i o ( 音频处理) 模块的硬件设计2 8 4 1 3u s bf l a s h 设备和接口3 3 4 2 基于s o p c 的m p 3 编解码器系统硬件的实现3 3 4 2 1n i o s l i 软件核处理器及控制模块3 3 4 。2 - 2s d r a m p l l 模块3 5 4 2 3r e s e t _ d e l a y s 模块3 5 4 2 41 2 ca vc o n f i g 模块3 5 4 2 5f i f o 模块3 6 4 2 6u s bf l a s h 设备控制模块3 6 。 4 2 7 输入输出模块3 6 4 3 小结3 7 第5 章m p 3 编解码器软件的设计与实现3 9 5 1m p 3 编解码器软件的详细设计3 9 5 1 1 # c l i n u x 操作系统3 9 5 1 2m p 3 编码器软件设计4 0 5 1 3m p 3 解码器软件设计4 0 一 5 2m p 3 编码器软件的实现4 0 5 2 1s l 曲e f i x e dp o i n tm p 3 开源文件的说明4 1 5 2 2m p 3 编码器在肛c l i n u x 上的实现4 1 5 3m p 3 解码器软件的实现4 4 5 3 1m p 3 解码软件的实现流程4 4 5 3 2m p 3 解码器在肛c l i n u x 上的实现4 5 5 4 ，j 、结4 6 第6 章m p 3 编解码器的测试与问题解决4 7 6 1 功能测试4 7 6 2 模块测试4 7 6 2 1u s b 存储设备模块测试4 7 6 2 2m p 3 编码模块测试：4 8 6 2 3m p 3 解码模块测试。4 8 6 3 遇到的问题及解决4 9 6 3 1 硬件音频接口4 9 6 3 2n 口3 编码5 0 v - 墅壁壁坚二 里至一 目承 6 3 3m p 3 解码5 0 6 4 小结51 第7 章结束语5 3 参考文献5 5 致谢5 9 - v i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 随着科技进步，人们手中的家用电器不断地向小型化、多功能化发展，往往 一个产品身兼多重任务。而在娱乐领域，人们的手中不再是那些单一的随身听、 随身看，而发展成为可集媒体播放、数据交互采集甚至通信于一身的小型多媒体 控制系统。这类系统可以自主进行编码解码、播放，同时拥有自己的处理器、存 储器和多种对外通信接口。它可以装入实时操作系统，针对外界的触发条件完成 相应工作，它还可以应用于工业控制或智能化的家用电器中。以往的此类播放器 ( 如m f 3 ) 主要是实现单一的功能，并且在板级实现，即将c p u 、d s p 、外围接口 这些独立的芯片集成在一块电路板上，体积很大，功能较少。而现今多媒体控制 系统都在向着s o p c 发展，即将c p u 、d s p 、外围接口等数字逻辑集成在一块芯 片内，同时与软件结合，成为一个小型的多功能片上系统【1 1 。相比以往，它们的 功能更强，体积更小，功耗更低，可重构性强。 许多大型的国外厂商都相继推出了自己的多媒体控制s o p c ，像p h i l i p 公 司的n e x p e r i ap n x 5 1 0 0 媒体处理器、o c t a s i c 的v o c a l l 应用处理器、德州仪器 d m 3 5 5 媒体处理器【5 l 等。它们可以运行微实时操作系统进行实时管理，并具有 片上独立的i o 和协处理单元用来捕获格式化的i o 数据流以及完成多媒体加速 算法，同时还支持动态电源管理从而降低功耗保存电能。这些产品可以对现今最 流行及最新颖的多媒体文件进行高效率解码和编码工作，例如，d i v x 、m p e g 2 、 m p e g 4 、m p 3 、a a c 、j p e g 等文件。同时高集成度以及低功耗特征将会给这 类s o p c 带来广阔的市场前景。 而当今开放源代码运动的兴起，越来越多的新技术被共享，s o p c 也不例外， 像n i o s l i 、l e o n 2 、o p e n r i s d 2 1 以及大量的i p 核，这样就有机会制作出自己所需 的系统。本课题就是实现一个基于n i o s l i 的嵌入式s o p c 系统，并在移植了 g c l i n u x 操作系统后，成功实现了m p 3 编解码器的工作。 1 2 音频编码技术的发展及国内外现状 自从p c 支持多媒体以来，有几种音频编码标准得到了广泛的应用，数字音 频编码技术无论对多媒体通信、多媒体广播、消费类电子都有其重要性。下面介 绍下音频编码技术发展中比较突出的几个标准。 ( 1 ) m p e g - l 音频编码标准 自从1 9 8 8 年以来，m p e g ( 运动图像专家组) 承担了视频和音频压缩技术的 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 标准化工作。这个小组制定的音频编码标准是数字音频压缩领域中的第一个国际 标准【3 】。1 9 8 9 年，m p e g 小组在征求了1 4 种音频编码方案后，最后确定了2 种： 一种是m u s i c a m ( m a s k i n gp a t t e r na d a p t e du n i v e r s a ls u bb a n di n t e g r a t e dc o d i n g a n dm u l t i p l e x i n g ，自适应掩蔽模式通用子带综合编码与多路复用) ，另一种是 a s p e c ( a d a p t i v es p e c t r a lp e r c e p t u a le n t r o p yc o d i n g ，自适应频谱感知嫡编码) 。基 于这两种算法于1 9 9 2 年制定了m p e g 1 标准。m p e g 1 按照算法的复杂度和压 缩比分为i ，三个层次。第1 层的复杂度最低，是m u s i c a m 方案的简化 形式，以每声道1 9 2 k b p s 的速率提供高质量的声音，在不强调低码率的情况下应 用。第层具有中等复杂度，它使用比第1 层更为精密的量化，与m u s i c a m 方案几乎完全相同，可在1 2 8 k b p s 的码率下提供近乎c d 质量的声音。第层 结合了m u s i c a m 和a s p e c 的优点，复杂度最高，编码效果也最好，可在低于 每声道1 2 8 k b p s 的码率下获得极高品质的音频。第层使用了心理学模型、可 切换的混合滤波器组、比特池缓冲技术、先进的预回声控制、非均匀量化和墒编 码技术。 m p e g - 1 等级在商业上获得了巨大的成功，这就是普遍使用的m p 3 。m p 3 是目前流传最广的一种音乐压缩格式，其c d 般的音质、高压缩比、开放性和易 使用性使之深受好评，尤其在i n t e r a c t 网络上广为流行，很多硬件厂商还推出了 硬件设备m p 3 播放器，成为目前市场上音频播放器的主流。 ( 2 ) d o l b ya c 一2 ，a c - 3 美国杜比( d o l b y ) 实验室从1 9 8 0 年开始对数字声频技术进行研究，重点是降 低比特率技术 4 1 。它先后研制了a c 1 ( a u d i oc o d i n g 1 ) 、a c 2 和a c 3 技术。d o l b y a c 2 是6 0 年代中期开始发展的，用于立体声编码，具有1 2 8 k b p s 和1 9 2 k b p s 可 变的数码率。它利用时域混叠抵消( t d a c ) 技术和m d c t i m d c t 变换。 1 9 9 1 年d o l b y 发明了a c 3 ，通道数由1 到5 ，再加一个低频增强通道。a c 3 算法允 许数据率在3 2 6 4 0 k b p s 内调整，可组合成各种通道组合，在低比特率时提供良 好的音质，1 9 9 3 年被美国a t s c 确定为北美h d t v 标准的声音编码系统，典型 的5 1 通道，数码率是3 8 4 k b p s ，每声道6 4 k b p s 。a c 3 还用于电影、d v d 等。 ( 3 ) d t s d t s ，数字影院系统( d i g i t a lt h e a t e rs y s t e m ) ，是在杜比数字环绕声出现后的 又一种数字环绕声系统。目前美国使用d t s 作为其电影原声带数字音频编码方 式的电影公司，已经超过了采用杜比数字系统的电影公司【5 】。 d t s 之所以受到如此青睐，是由于其对高采样率、高量化精度的数字信号 采用了灵活、先进的相干声学( c o h e r e n t a c o u s t i c s ) 编码技术。根据实际应用，d t s 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 具有单声道、双声道至8 声道可供选用，分离式的5 1 声道可以混音成为“矩阵 式两声道”。d t s 每声道的采样频率最低为8 k h z ，最高为1 9 2 k h z ；量化精度范 围为1 6 n 2 4 b i t ；压缩率范围为1 - 1 4 0 ：1 ，总数据率范围为3 2 - 4 0 5 6 k b p s 。另外 相干声学算法还可以实现高达1 3 8 d b 的动态范围。 d t s 作为一种新型的数字环绕声技术，不但能胜任a v 的重托，更能提高 c d 音乐的音质，完全可以和杜比数字制式在家庭视听方面想抗衡。 ( 4 ) m p e g 一2b c ，m p e g - 2l s f 和m p e g 2a a c 针对m _ p e g - 1 只能进行单声道或双声道编码的局限性，m p e g 小组制定了 多声道扩展的音频编码标准m p e g - 2b c ，它能够与已有的m p e g - 1 系统向下兼 容。与此同时，m p e g 小组还制定了一个在较低采样频率( 6 k h z ，2 2 0 5 k - i z ，2 4 k h z ) 时效率高于m p e g 2 的音频编码标准m p e g 2l s f 。19 9 4 年l1 月，m p e g 完成 了m p e g 2b c 和m p e g 2l s f 的制定。对五个全带宽声道，m p e g 2b c 在数 据率为6 4 0 - - 8 9 6 k b p s 的情况下提供了高品质的音频【6 】。 能够工作于6 4 k b p s c h a n n e l 的系统有m p 3 ，a c 3 等，经严格测试在此码率 时，它们的重建音质都达不到i t u r 和欧广联( e b u ) 关于听不出与c d 有任何音 质变差的作为无线广播的要求，所以在1 9 9 4 年m p e g 2 通过的同时m p e g 组织 决定研究和制订新的要达到n u r 和e b u 要求的音频编码，新的音频编码不要 求向下兼容，命名为a d v a n c e d a u d i oc o d i n g 即a a c 。有许多著名公司和大学参 加了a a c 标准的制订，其中有美国的d o l b yl a b ，l u c e n tb e l ll a b ，a t tl a b ， 德国的f r a u n h o f e ri i su n i v e r s i t yo f h a n o v e r ，日本的s o n y ，n e c 等。并很快地于 1 9 9 7 年纳入到m p e g - 2 标准体系，成为其第七部分。a a c 的编码效率和商业价 值被越来越多的国家广播机构和大公司青睐，日本无线电工业协会在1 9 9 8 年就 决定日本的地面电视、有线电视、卫星电视一律采用a a c 音频编码。p a n a s o n i c ， p 1 1 i l i p s ，s a n y o ，l i q u i d 等公司己推出基于a a c 的便携式产品或声源。可以预想 a a c 将有着广阔的发展前景。 ( 5 ) a v s a v s 是我国具有自主知识产权的第二代音视频信源编码标准，编码效率比第 一代标准( m p e g 2 ) 高2 到3 倍，在技术上与h 2 6 4 相似又比h 2 6 4 实现复杂度 低1 7 。同时制定a v s 标准的时候采取了“开放 、“自主 、“兼容”、“先进 的 原则，侵犯其他专利的风险极小。此外a v s 从系统的高度确立了内容传输、视 频音频编码格式和媒体版权管理，而m p e g - 2 和h 2 6 4 仅仅只是视频编码标准。 1 3 国内外s o p c 在多媒体控制系统的应用现状 当前s o p c 在多媒体控制系统的应用倍受关注。多媒体在不断发展，越来越 - 3 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 多的影音格式流行起来，像m p 3 、m p 4 。然而这些高质量低存储空间的影音格 式给处理系统带来了越来越大的压力，因此各大公司都推出了自己的相关产品： ( 1 ) p h i l i p 的n e x p e r i ap n x 5 1 0 0 媒体处理器 n e x p e r i ap n x 5 1 0 0 集成了媒体处理器核，提供强大的视频处理平台用于运 动测定和向上转变。前视频和后视频处理起到了通用输入处理器和视频整合通道 的作用，从而扩展了p n x s1 0 0 的性能它还包括一个双通道l v d s 接收器和两个 双通道l v d s 发送器。这一先进的后处理器还提供画中画和o s d 图形插入功能。 p n x 5 1 0 0 支持高端平板显示屏分辨率和包括1 3 6 6 x7 6 8 0 1 2 0 h z 和1 9 2 0 x 0 8 0 1 2 0 h z 格式在内的刷新率【8 】。 n e x p e r i ap n x 5 1 0 0 提供一个强大的c c 卜+ 环境的t r i m e d i ac p u ，可以运行 微实时操作系统来实现高效的、可预测的实时时间的响应。它具有片上独立的i o 和协处理单元用来捕获格式化的f o 数据流以及完成多媒体加速算法。它还具有 一个复杂的存储结构来管理内部i o 和流水线访问外部存储器。p n x 5 1 0 0 同时还 支持动态电源管理从而降低功耗、保存电能。 p n x 5 1 0 0 随同一个参考设计工具包一起发布，该工具包能够帮助电视制造商 加快产品上市时间并降低开发风险。此外，它也能被用作单独的视频后处理器或 主流电视处理器的辅助i c ，使得运动精确图像处理能够被作为一项性能提升来 执行。n e x p e r i z ap n x 5 1 0 0 已于2 0 0 8 年第一季度起量产。 ( 2 ) o c t a s i c 的v o c a l l 应用处理器 v o c a l l o 可扩展媒体网关解决方案是同类产品中第一个支持全新且灵活的业 务模式的d s p 平台，可供o e m 厂商用于设计媒体网关 9 1 。利用这种业务模式， o e m 厂商可以设定一种成本更低的网关，用于以可靠的性能处理当今的口语音 ( v o w ) 需求，从而为将来的应用做好准备。v o c a l l o 以o c t a s i c 特有的d s p 核心体 系结构o p u s 为基础，可以通过传统的编程摸式实现行业中最高的效能比。在高 密度的应用中，o p u s 是效率最高的d s p 核心处理器比同类产品高出两倍。此外， o p u s 提供了一个丰富的指令集，这个指令集超越了可用于扩展到新应用的d s p 函数。此外，v o c a l l o 还新增了一个优势，允许设计人员将他们自己的软件添加 到v o c a l l o 框架中以进一步突出自己产品的特色。v o c a i l o 的回声消除和音质增强 q e ) 功能使用了o c t a s i c 经过了电信运营商所公认的算法。为了保持符合最新 标准的纯正语音质量，v o c a l l o 采用了基于数据包的软件体系结构：该体系结构 采用了全新的设计，可以支持宽带语音通信，并可以最小的延迟处理媒体连接。 ( 3 ) 德州仪器( t d 的d m 3 5 5 处理器 t m s 3 2 0 d m 3 5 5 处理器是r r i 推出的面向便携高清视频应用的新型低成本 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 d a v n c e 平台【1 0 】。d m 3 5 5 - i n 实现7 2 0 p 高清m p e g 4 编码或解码，支持3 0 f p s 实时处理，编码解码能力可达每秒5 0 0 0 万像素。其内核包含频率为2 1 6 m h z 或 2 7 0 m h z 的a r m 9 2 6 e j s t m ，m j c p 协处理器和有前端和后端的视频处理子系统， 可支持c c d 控制器预览、图像缩放。a r m 端有1 6 k b 指令高速缓存、8 k b 数据 高速缓存、8 k br o m 以及3 2 k br a m 存储器。外设包括：u s b 2 0h so t g 设备 与迷你主机物理接口，可连接d d r 2 的外部存储器接口f e m i f ) 。 集成式m j c p ( m p e g 4 和j - p e g 协处理器) 相当于4 0 0 m h z 的d s p ，预览处理 引擎的等效d s p 相当于9 0 m h z ，图像缩放部分等效为6 0 m h z ，o s b 等效为 9 0 m h z ，因此整体相当于2 4 0 m h z 的处理能力，而v e s s ( 视频处理子单元) + m j c p 可以提供相当于6 4 0 mh zd s p 处理能力，并针对o e m 产品差异化提供a r m ， 以实现整体系统的控制，也可以实现实时操作系统。 国内公司以及研究机构也有自己的相关产品： ( 1 ) 方舟科技a r e a 2 1 0 a r e a 2 1 0 核心是一款3 2 位的微处理器，它不但具有r i s c 体系结构的典型特 征，而且具有一套全新的高性能、低功耗的指令体系结构。同时系统集成了嵌入 式产品所需的大量外设以及p c 架构南北桥中的大部分功能，为嵌入式多媒体系 统的设计提供了一个很好的选择【1 1 】。 ( 2 ) 自主芯片“凤芯2 号 “风芯2 号 与“风芯l 号 都是由宁波中科集成电路设计中心负责开发， 主要应用于高清晰度数字电视、高密度d v d 机、数码摄像机、视频会议、视频 监控等。“凤芯2 号 与“风芯l 号都是基于目前公布的a v s 标准研制开发， 兼顾h 2 6 4 标准。同时“凤芯2 号 完全兼容a v s l 0 ，h 2 6 4 a v cm a i np r o f i l e 标准，但在应用方面的技术远高于以前的技术。 1 4 论文的组织结构 作为一个嵌入式s o p c 系统，基于n i o s l i 的m p 3 编解码系统是软件与硬件 的结合，而且还移植了# c l i n u x 操作系统，使其功能更加强大，扩展性能更为。 论文的安排如下： 第1 章：绪论。主要描述了本课题的研究背景，介绍了音频编码技术的国内 外现状，以及s o p c 在多媒体控制系统中的应用现状。 第2 章：m p 3 编解码器的相关技术介绍。主要介绍了m p 3 标准，对m p 3 的编解码算法原理进行阐述，同时对硬件和软件相关技术进行介绍。 第3 章：m p 3 编解码器的总体设计。主要描述本设计的总体结构，介绍了 i _ 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 硬件和软件的开发环境，为后期的实现进行规划。 第4 章：m p 3 编解码器硬件的设计与实现。这部分中完成n i o s 软核处理器 的设计与实现，重点描述了a u d i o ( 音频处理) 模块的设计与实现。 第5 章：m p 3 编解码器软件的设计与实现。分析了编解码器的软件流程， 解释了m p 3 编解码器的软件实现过程。 第6 章：m p 3 编解码器的测试与问题解决。介绍了系统的软硬件测试与协 同实现以及出现的问题解决。 第7 章：结束语。 东北大学硕士学位论文 第2 章m p 3 编解码器的相关技术介绍 第2 章m p 3 编解码器的相关技术介绍 2 1m p 3 标准简介 m p 3 的全称为m p e g ll a y e r - 3 音频文件f 1 2 】，m p e g 音频文件是m p e g l 标 准中的声音部分，也叫m p e g 音频层。它根据压缩质量和编码复杂程度划分为 三层，即l a y e r l 、l a y e r 2 、l a y e r 3 ，且分别对应m p l 、m p 2 、m p 3 这三种声音文 件，并根据不同的用途，使用不同层次的编码。m p e g 音频编码的层次越高，编 码器越复杂，压缩率也越高，m p l 和m p 2 的压缩率分别为4 ：1 和6 ：1 8 ：1 ， 而m p 3 的压缩率则高达1 0 ：1 1 2 ：1 。一分钟c d 音质的音乐，未经压缩需要 1 0 m b 的存储空间，而经过m p 3 压缩编码后只有1 m b 左右。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“心理声学模 型”，即编码时先对音频文件进行频谱分析，然后再根据心理声学模型把谱线分 成若干个阈值分区，并计算每个阈值分区的阈值，接着通过量化和熵编码对每个 谱线进行编码，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 放时能够达到比较接近原音源的声音效果。 表2 1 各种音频的数据 t a b l e2 1a 1 1k i n d so fa u d i od a t a 从表2 1 可以看出，采用m p 3 标准压缩的声音具有音质好、码率低的特点， 而且根据国际上众多的视听测试，m p 3 提供了非常好的性能，根据测试，在1 0 1 d - i z 的通道中完全可以实现立体声广播。 人耳对于不同的声音的感觉是不同的，强的声音往往可以淹没弱的声音。所 以在编码的时候就没有必要将所有的声音进行编码，这样就减小了数据量。 m p 3 使用了非常经典的h u f f r n a n 算法【1 3 】，m p 3 使用h u f f m a n 算法实现压缩 的最后步骤。在编码过程中，h u f f m a n 算法产生一个可变长的码流，并且可以根 据个相应的表格解决码流不等长的问题，而且解码速度非常快，同时压缩比也 较高，平均可节省2 0 的空间。m p 3 虽然有压缩比大的优点，但因为它的编码 原理的限制，同样也存在缺点。m p 3 一个显著的缺点就是延迟时间长，它的最 - 7 - 东北大学硕士学位论文 第2 章h i p 3 编解码器的相关技术介绍 小理论延时是5 9 m s ，而实际上的值要比这大许多，而且同系统的实现方法有关， 很难给出一个精确的值。对于一些特定的应用，比如全双工语音通信，这