单片机与DSP中的基于定点DSP的MP3音频编码算法研究及实现

ＭＰ３是ＭＰＥＧ－１国际标准中音频压缩层３的简称，单声道比特率一般取６４ｋｂｐｓ，在采样率４４．１ｋＨｚ的情况下，其压缩比可达１２倍以上，被广泛应用于互联网等许多场合。由于解码比编码过程简单很多，ＭＰ３播放机或随身听已随处可见，但ＭＰ３编码在单片定点ＤＳＰ上实现，并要保证音质，则鲜有耳闻。考虑到心理声学模型在整个ＭＰ３音频编码算法中所占比例巨大，笔者从简化该模型入手，采用快速算法减少子带编码的运算量和数据量，尽可能减少量化编码的迭代循环次数，从而在一片美国德州仪器公司的ＴＭＳ３２０Ｃ５４９TMS320C549芯片上实现了ＭＰ３的实时压缩，用标准解码软件回放，主观评定，对于通常的音频能达到接近Ｃ MP3音频编码是一种高效的数据压缩技术，用于将音频信号转化为位率较低的数字信号，以适应存储和传输的需求。MP3编码的核心在于MPEG-1音频层3，它在采样率为44.1kHz、单声道比特率64kbps时，能够实现12倍以上的压缩比，广泛应用于互联网音乐分享、便携式音乐设备等领域。 编码过程相对解码更为复杂，尤其是在单片定点数字信号处理器(DSP)上实现高质量的编码更是技术挑战。定点DSP，如Texas Instruments的TMS320C549，因其处理能力和效率适合于这种实时处理任务。然而，直接将复杂的MP3编码算法移植到这种处理器上往往难以保持良好的音质。 心理声学模型在MP3编码中占据关键地位，因为它涉及到人耳对声音的感知特性。人耳对不同频率的声音敏感度不同，且存在掩蔽效应，即一个较强的声音会“掩蔽”掉附近较弱的声音。模型通过FFT分析信号，计算掩蔽阈值，确定哪些频率成分在噪声下无法察觉，从而进行高效编码。通过减少在掩蔽阈值下方的频率分量的编码位，以及根据掩蔽曲线调整量化阶，可以在不影响听感的前提下降低比特率。 为了在TMS320C549上实现高效的MP3编码，研究者采取了简化心理声学模型和优化算法的策略。例如，通过快速算法减少了子带编码的运算量，比如对分析子带滤波器使用快速算法，通过FIFO缓存、窗函数处理和IDCT转换来减小乘法运算。同时，通过改进的Lee算法实现了IDCT的快速计算，进一步优化了处理速度。 在实际实现中，通过减少量化编码的迭代循环次数，使得算法能够在给定的硬件资源限制下实现实时编码。经过标准解码软件回放和主观评定，这种方法可以达到接近CD音质的效果，证明了在定点DSP上实现高质量MP3编码的可行性。 本研究集中在如何在单片定点DSP上优化MP3编码算法，利用心理声学模型的特性进行数据压缩，并通过算法优化减轻计算负担，确保在有限的硬件平台上也能获得良好的音质输出。这对于嵌入式系统的音频应用具有重要的实践意义。