一、實驗目的

了解MP3文件的結構，掌握MP3音頻解碼的原理，并實現(xiàn)基于SYSBIOS系統(tǒng)，將MP3格式的音頻解碼為PCM格式。

二、實驗原理

1、MP3音頻格式

MP3是一種音頻壓縮技術，其全稱是動態(tài)影像專家壓縮標準音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III），簡稱為MP3。它被設計用來大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量。

利用 MPEG Audio Layer 3 的技術，將音樂以1:10 甚至 1:12 的壓縮率，壓縮成容量較小的文件，而對于大多數(shù)用戶來說重放的音質與最初的不壓縮音頻相比沒有明顯的下降。

傳統(tǒng)的MP3算法需要完成大量的高精度浮點計算，其解碼速度和效率依賴于通用浮點運算單元的支持。大部分的專用MP3解碼播放系統(tǒng)均需要使用DSP處理器或浮點協(xié)處理器處理浮點指令并完成高速浮點運算過程。

2、MP3編解碼

MP3音頻壓縮包含編碼和解碼兩部分，編碼是將原始信號轉換成電平信號的過程，解碼即是逆過程，人耳感受聲音的頻率范圍是20Hz-20kHz，MP3截掉了大量的冗余信號和無關的信號，編碼器將原始聲音變換到頻率域，經(jīng)過量化和編碼形成MP3位流。解碼器要簡單得多，它的任務是從編碼后的譜線成分中，經(jīng)過反量化和逆變換，提取出聲音信號。

（1）編碼：從信息論的觀點來看，描述信源的數(shù)據(jù)是信息和數(shù)據(jù)冗余之和，即：數(shù)據(jù)=信息+數(shù)據(jù)冗余。音頻信號在時域和頻域上具有相關性，也即存在數(shù)據(jù)冗余。將音頻作為一個信源，音頻編碼的實質是減少音頻中的冗余。通常我們采用的是PCM編碼，PCM通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉換為數(shù)字信號。

（2）解碼：編碼的逆過程，將MP3文件解碼成PCM數(shù)據(jù)流輸出。

3、MP3文件結構

MP3文件數(shù)據(jù)由多個幀組成，幀是MP3文件最小組成單位。每個幀又由幀頭、附加信息和聲音數(shù)據(jù)組成。每個幀播放時間是0.026秒，其長度隨位率的不同而不等。有些MP3文件末尾有些額外字節(jié)存放非聲音數(shù)據(jù)的說明信息。

MP3文件大體上分為三個部分：ID3V2+音頻數(shù)據(jù)+ID3V1。

ID3一般位于一個MP3文件的開頭或末尾的若干字節(jié)內(nèi)，記錄該MP3文件的歌手、標題、專輯名稱、年代、風格等信息，ID3分為兩個版本，V1版ID3在文件末尾的固定128字節(jié)，以TAG字符開頭，若沒有則認為無ID3V1信息，V2版ID3位于MP3的開頭，長度可變。

4、音頻數(shù)據(jù)解析

每個幀都有一個幀頭，長度是四個字節(jié)，幀后面可能有2字節(jié)的CRC校驗，取決于幀頭的第16位，為0則無校驗，為1則有校驗，后面是可變長度的附加信息，對于標準的MP3文件來說，其長度是32字節(jié)，緊接其后的是壓縮的聲音數(shù)據(jù)，當解碼器讀到此處時就進行解碼了。

5、libmp3lame庫

lame是一個有名的開源MP3編解碼庫，使用lame庫只需要包含lame.h頭文件。

6、SYS/BIOS 操作系統(tǒng)

SYS/BIOS 是一個可擴展的實時的操作系統(tǒng)（可拓展的實時內(nèi)核）。

（1）具有非?？焖俚捻憫獣r間（在中斷和任務切換時達到較短的延遲），響應時間的確定性。

（2)SYS/BIOS提供了搶占式多線程，硬件抽象，實時分析和配置工具。

(3)優(yōu)化的內(nèi)存分配和堆棧管理（盡量少的消耗和碎片）。

(4)SYS/BIOS的設計是為了最大限度地減少對內(nèi)存和CPU的要求.

能夠實現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化并可裁剪。

(5)用于實時調(diào)度和同步的應用程序或實時的設備。

TASK任務

TASK任務模塊是操作系統(tǒng)中最基本的模塊，每個任務是一個單獨的線程，各個線程（任務）具有各自的優(yōu)先級。SYS/BIOS任務對象是被任務模塊管理的線程。

（1）任務模塊動態(tài)調(diào)度和搶占任務是基于任務的優(yōu)先級和任務當前執(zhí)行的狀態(tài)的。這確保了處理器總是給予最高優(yōu)先級的線程準備運行。

（2）SYS/BIOS的系統(tǒng)組件可以動態(tài)及靜態(tài)創(chuàng)建任務，可以通過調(diào)用Task_create（）動態(tài)創(chuàng)建Task對象，也可以在配置中靜態(tài)創(chuàng)建Task對象。

（3）動態(tài)和靜態(tài)創(chuàng)建任務的主要區(qū)別是：動態(tài)創(chuàng)建的線程可以在運行時刪除，而靜態(tài)創(chuàng)建的任務占用更少的內(nèi)存資源。

7、程序流程設計

程序流程設計中首先要進行使能SD并配置SD設備驅動，接著初始化SD設備，檢測SD卡的狀態(tài)，注冊SD卡的讀寫方式，然后在SD卡內(nèi)創(chuàng)建PCM文件，打開MP3文件后初始化文件指針到起始點，接著初始化解碼器數(shù)據(jù)結構并配置成解碼模式，最后執(zhí)行MP3文件解析，解碼完成后卸載設備即可。

三、操作現(xiàn)象

1、實驗設備

2、硬件連接

（1）將工程目錄下的song.mp3文件拷貝到SD卡后，把SD卡插入卡槽內(nèi)。

（2）連接仿真器和電腦的USB接口。

（3）將撥碼開關撥到DEBUG模式01111，連接實驗箱電源，撥動電源開關上電。

3、軟件操作

導入工程，選擇Demo文件夾下的對應工程

編譯工程，生成可執(zhí)行文件

將CCS連接開發(fā)板并加載程序

點擊運行程序

運行程序后，Console 窗口會打印信息，正在處理音頻數(shù)據(jù)。

大概等待1分鐘，解碼完成。

實驗結束后，先點擊黃色按鈕暫停程序運行，再點擊紅色按鈕退出CCS與實驗板的連接，最后實驗箱斷電即可。