1 前言
　　在日常生活中人們聽(tīng)到的各種聲音，其信號(hào)強(qiáng)度都是隨時(shí)間連續(xù)變化的，我們稱(chēng)這種信號(hào)為模擬信號(hào)。傳統(tǒng)的聲音記錄方式是將這種模擬信號(hào)直接記錄下來(lái)，例如磁 帶錄音和密紋唱片（也稱(chēng)EP唱片）就是將聲音拾取處理后以磁記錄或機(jī)械刻度的方式記錄下來(lái)，此時(shí)磁帶上剩磁的變化或密紋，唱片音槽內(nèi)的紋路起伏變化都是與聲音信號(hào)的變化相對(duì)應(yīng)、成正比的。記錄儲(chǔ)存這種模擬聲音信號(hào)的載體，諸如密紋唱片、盒式磁帶等，稱(chēng)為模擬音響軟件，而能夠播放和（或）記錄這些軟件的信號(hào) 處理設(shè)備，諸如電唱機(jī)、磁帶錄音機(jī)等，則稱(chēng)為模擬音響設(shè)備或模擬音響系統(tǒng)。模擬信號(hào)在錄制、傳輸、處理和放大過(guò)程中，很容易產(chǎn)生失真和噪聲，使得模擬音響軟件和硬件的電聲技術(shù)指標(biāo)難以大幅度提高［1］。
　　數(shù)字信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、無(wú)噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號(hào)傳輸過(guò)程中及時(shí)對(duì)衰減的傳輸信號(hào)進(jìn)行放大，信號(hào)在傳輸過(guò)程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時(shí)放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來(lái)越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴(yán)重惡化。對(duì)于數(shù)字通信，由于數(shù)字信號(hào)的幅值為有限個(gè)離散值（通常取兩個(gè)幅值），在傳輸過(guò)程中雖然也受到噪聲的干擾，但當(dāng)信噪比惡化到一定程度時(shí)，即在適當(dāng)?shù)木嚯x采用判決再生的方法，再生成沒(méi)有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號(hào)，所以可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離高質(zhì)量的傳輸［2］。
　　數(shù)字通信的信號(hào)形式和計(jì)算機(jī)所用信號(hào)一致，都是二進(jìn)制代碼，因此便于與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，也便于用計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護(hù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。數(shù)字通信采用時(shí)分多路復(fù)用，不需要體積較大的濾波器。設(shè)備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)，因此體積小、功耗低。便于構(gòu)成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。采用數(shù)字傳輸方式，可以通過(guò)程控?cái)?shù)字交換設(shè)備進(jìn)行數(shù)字交換，以實(shí)現(xiàn)傳輸和交換的綜合。占用信道頻帶較寬。一路模擬電話(huà)的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話(huà)約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道（光纜、數(shù)字微波）的大量利用（一對(duì)光纜可開(kāi)通幾千路電話(huà)）以及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展（可將一路數(shù)字電話(huà)的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率），數(shù)字電話(huà)的帶寬問(wèn)題已不是主要問(wèn)題了［3］。
　　以上介紹了數(shù)字信號(hào)具有很多優(yōu)點(diǎn)，克服了模擬音響技術(shù)的缺陷，數(shù)字音響技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并從本世紀(jì)80年代起獲得了引人注目的發(fā)展。
　　傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)（如校園、公園、商場(chǎng)等）同時(shí)只能播放一個(gè)節(jié)目，因此聽(tīng)眾的選擇性較?。徊⑶夷M信號(hào)在傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)衰減、易受干擾而增加噪聲。隨著以太網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施日趨完善，數(shù)字化信號(hào)處理已經(jīng)成熟。因此本文提出了以太網(wǎng)音箱替代傳統(tǒng)模擬廣播音響，利用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字音頻，既可以保證音頻信號(hào)質(zhì)量，還可以根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和區(qū)域進(jìn)行單播、組播，使廣播內(nèi)容更有針對(duì)性。本項(xiàng)目使用PIC32 Ethernet Starter Kit，利用PIC32 Starter Board PIM Adapter外接DA驅(qū)動(dòng)底板。利用以太網(wǎng)通信傳輸MP3碼流和基于PIC32的高性能軟解碼MP3文件，利用SPI接口驅(qū)動(dòng)DA輸出模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高效、高質(zhì)量、低成本的以太網(wǎng)音箱。
　　2相關(guān)技術(shù)和原理
　　2.1相關(guān)技術(shù)
　　2.1.1 MP3
　　MP3全稱(chēng)是動(dòng)態(tài)影像專(zhuān)家壓縮標(biāo)準(zhǔn)音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）。是當(dāng)今較流行的一種數(shù)字音頻編碼和有損壓縮格式，它設(shè)計(jì)用來(lái)大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量，而對(duì)于大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)重放的音質(zhì)與最初的不壓縮音頻相比沒(méi) 有明顯的下降。它是在1991年由位于德國(guó)埃爾朗根的研究組織Fraunhofer-Gesellschaft的一組工程師發(fā)明和標(biāo)準(zhǔn)化的。
　　使用PCM信號(hào)進(jìn)行MP3壓縮時(shí)，以1152個(gè)PCM采樣值為單位，封裝成具有固定長(zhǎng)度的MP3數(shù)據(jù)幀，幀是MP3文件的最小組成單位。在解碼時(shí)，利用數(shù)據(jù)幀里的信息就可以恢復(fù)出1152個(gè)PCM采樣值。這1152個(gè)采樣值被分為2個(gè)粒度組，每個(gè)粒度組包含576個(gè)采樣值。一個(gè)MP3數(shù)據(jù)幀分為5個(gè)部分：幀頭、CRC校驗(yàn)值、邊信息、主數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)。
　　數(shù)據(jù)流的同步以及幀頭信息的讀取MP3數(shù)據(jù)流的同步以幀為單位，每一幀的幀頭都包含同步信息。這個(gè)同步信息是連續(xù)的12比特的‘1’組成。MP3音頻解碼過(guò)程中的第一步就是使解碼器與輸入數(shù)據(jù)流同步。在啟動(dòng)解碼器后，可以通過(guò)搜索數(shù)據(jù)流中的12比特長(zhǎng)的同步字來(lái)完成。在取得同步以后跟著的數(shù)據(jù)就是幀頭信息，包括采樣率、填充位、比特率等信息。
　　主數(shù)據(jù)的讀取在MP3編碼過(guò)程中使用了比特池技術(shù)，所以當(dāng)前幀的主數(shù)據(jù)不一定全部都在當(dāng)前幀中，在解碼過(guò)程中，必須結(jié)合主數(shù)據(jù)開(kāi)始指針的值來(lái)確定主數(shù)據(jù)的開(kāi)始位置。主數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)有縮放因子、哈夫曼數(shù)據(jù)及附加數(shù)據(jù)。這些字段在主數(shù)據(jù)中有固定的格式。
　　哈夫曼解碼和反量化在MP3編碼過(guò)程中，根據(jù)心理聲學(xué)模型的輸出，對(duì)離散余弦變換的輸出樣本以粒度為單位進(jìn)行的量化和分配，再對(duì)量化的結(jié)果進(jìn)行哈夫曼編碼。量化和編碼主要是通過(guò)循環(huán)迭代完成的，循環(huán)模塊分為三層來(lái)描述，最高層為幀循環(huán)，它調(diào)用外層迭代循環(huán)，而外層迭代循環(huán)又調(diào)用內(nèi)層迭代循環(huán)。但在解碼過(guò)程中，哈夫曼解碼和反量化過(guò)程是分開(kāi)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)粒度組的頻率線(xiàn)都是用不同的哈夫曼表來(lái)進(jìn)行編碼的，因此在解碼過(guò)程中，需要采用不同的解碼方法。反量化頻譜過(guò)程就是基于所得到的哈夫曼解碼數(shù)據(jù)，根據(jù)逆量化全縮放公式和幀邊信息，對(duì)于不同的窗類(lèi)型采用不同的公式以恢復(fù)576個(gè)頻率線(xiàn)的真實(shí)值。
　　反量化過(guò)程中得出的頻譜值不是按相同順序排列的。在編碼的MDCT過(guò)程中，對(duì)于長(zhǎng)窗產(chǎn)生的頻譜值先按子帶然后按頻率排列；對(duì)于短窗，產(chǎn)生的頻譜值按子帶、窗、頻率的順序排列。為了提供哈夫曼編碼效率，短窗中的數(shù)據(jù)被重新排列，按照子帶、頻率、窗的順序排列。解碼時(shí)，重排序及時(shí)將短窗中的頻譜值重新排列。同樣，在編碼的MDCT過(guò)程中，為了得到更好的頻域特性，對(duì)長(zhǎng)窗對(duì)應(yīng)每個(gè)子帶進(jìn)行了去混疊處理，為了得到正確的音頻信號(hào)，在解碼時(shí)必須對(duì)長(zhǎng)窗對(duì)應(yīng)的子帶進(jìn)行混疊重建。
　　逆向離散余弦變換主要是使用逆向離散余弦變換的公式，對(duì)反量化得出的信號(hào)進(jìn)行變換。逆向離散余弦變換的計(jì)算十分復(fù)雜，為了提高效率，可以對(duì)計(jì)算做一些優(yōu)化。
　　頻率反轉(zhuǎn)和子帶合成頻率反轉(zhuǎn)是對(duì)逆向離散余弦變換的輸出值中的奇數(shù)號(hào)子帶（0到31號(hào)子帶中的1，3，5，。..，31）中的奇數(shù)號(hào)樣本值（每個(gè)子帶中的 0到17號(hào)樣本值的1，3，5，。..，17號(hào)樣本值）進(jìn)行反相處理，用來(lái)補(bǔ)償編碼時(shí)為提高離散余弦變換效率而進(jìn)行的頻率反轉(zhuǎn)。子帶合成濾波器將32個(gè)帶寬相等的子帶中的頻域信號(hào)反變換成時(shí)域信號(hào)。子帶合成是逆向離散余弦變換后的一個(gè)通道中32個(gè)子帶的樣值，經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算還原出32個(gè)PCM數(shù)字音頻信號(hào)的過(guò)程。子帶合成過(guò)程先將32個(gè)子帶樣值進(jìn)行逆向離散余弦變換，生成64個(gè)中間值，將這64個(gè)中間值轉(zhuǎn)入到一個(gè)長(zhǎng)為1024點(diǎn)的類(lèi)似先進(jìn)先出FIFO的緩存，再在這1024個(gè)值中抽取一半，構(gòu)成一個(gè)512個(gè)值的矢量，再進(jìn)行加窗運(yùn)算，最后將加窗結(jié)果進(jìn)行疊加生成32個(gè)時(shí)域輸出。
　　2.1.2 RTLL
　　應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員可能考慮在他們的應(yīng)用程序中使用開(kāi)源的代碼組件。開(kāi)源代碼的證書(shū)可能要求覆蓋特殊代碼。這個(gè)要求對(duì)開(kāi)發(fā)人員的開(kāi)發(fā)或擁有者很不方便。RTLL（Run-Time Library Loading），運(yùn)行時(shí)庫(kù)載入技術(shù)便應(yīng)用于這種情形下。利用這種技術(shù)不會(huì)將開(kāi)源代碼鏈接到主應(yīng)用程序。它們被另外編譯，兩者不相互聯(lián)系。開(kāi)源程序庫(kù)是在運(yùn)行時(shí)才會(huì)利用載入器將函數(shù)指針集合載入［4］。