（电路与系统专业论文）嵌入式mp3流ip数字广播终端的研究与设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 嵌入式m p 3 流ip 数字广播终端的研究与设计 摘要 本文论述了一种嵌入式m p 3 流i p 数字广播终端的设计思路，方法以及在 开发过程中用到的相关技术。该系统在增强型的嵌入式网络微处理器的基 础上，采用m p 3 音频解码技术，t c p i p 相关技术，以及t i n i ( 微型网络接口) 的相关开发技术和流媒体技术进行开发设计。利用本嵌入式m p 3 流i p 数字广 播终端可以进行m p 3 流音频的播放业务，具有小型化，低功耗，稳定可靠， 便于携带等特点。 在文中，首先介绍了i p 数字广播的优势及其发展趋势，以及相应的数 字流媒体的发展情况。然后对与i p 数字广播相关的技术如：音频编码、解 码，网络传输协议，i p 多播技术等进行阐述。接着对本数字广播终端系统 的硬件系统设计和软件系统设计进行了详细的介绍。 在硬件系统的设计部分，首先提出几种方案并进行了比较选择；然后 设计出了系统总体结构，给出了系统硬件结构示意图；接着对基于d s 8 0 c 4 0 0 网络微处理器的网络接口平台的原理与构件进行描述，在详细分析嵌入式 微控制器d s 8 0 c 4 0 0 的结构特点和功能的基础上，给出了各部分硬件的工作 原理、电路结构。 由于系统使用的大多是高速集成电路，所以必须在设计硬件电路的时 候对布局、布线给以足够的考虑。为了提高平台的整体稳定性和可靠性， 在硬件设计中采取了以下几种措施：( 1 ) 对元件的布局与走线，考虑了印刷 太原理工大学硕士研究生学位论文 电路板的寿命、稳定性、电磁兼容性，元件布局还特别注意了散热问题； ( 2 ) 采用两层印刷电路板设计，印刷电路板结构紧凑，电源部分采用数字5 v 、 3 3 v 、1 8 v 多电源供电；( 3 ) 选用表面贴装器件。 在软件系统设计部分，首先介绍了基于网络微处理器d s 8 0 c 4 0 0 的微型 网络接口的软件开发平台和软件运行环境，以及系统的t c p i p 协议；然后 对软件系统的主流程进行分析并制定流程图；接着对主流程的各个模块进 行具体的设计并给出了部分关键程序代码。 在本文的最后，给出了对本i p 数字广播终端系统进一步优化的想法， 以及扩展功能的构想。 关键词：d s 8 0 c 4 0 0 ，m p 3 ，s t a o l 5 解码器，s o c k e t ，u d p 协议 n 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d ya n dd e s i g nf o re m b e d d e dm p 3f l o w i pd i g i t a lb r o a d c a s t i n gt e r m i n a l a b s t r a c t t h i sp a p e rd i s c u s s e sa ne m b e d d e dm p 3f l o wi pd i g i t a lb r o a d c a s t i n g t e r m i n a ld e s i g n ，m e t h o d sa n dt h er e l a t e dt e c h n o l o g i e su s e di nt h ed e v e l o p i n g p r o c e s s b a s e do nt h ee n h a n c e de m b e d d e dn e t w o r km i c r o - p r o c e s s o r , t h es y s t e m u s e st h em p 3a u d i od e c o d e rt e c h n o l o g y , t c p i pr e l a t e dt e c h n o l o g ya n dt h e r e l a t e d t e c h n o l o g i e so ft i n i ( m i c r o n e t w o r kc o n n e c t i o n ) d e v e l o p m e n ta n d s t r e a m i n gm e d i af o rt h ed e s i g n u s i n gt h ee m b e d d e dm p 3f l o wi pd i g i t a l b r o a d c a s t i n gt e r m i n a l ，t h em p 3f l o wa u d i oc a nb eb r o a d c a s t e d i th a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l l ，l o wp o w e rl o s s ，r e l i a b l e ，e a s yt oc a r r ya n d 8 0o n i nt h et e x t ，f i r s ti n t r o d u c e dt h ea d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fi p d i g i t a lb r o a d c a s t i n g ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e v e l o p m e n to fd i g i t a lf l o wm e d i a a n dt h e nt h ei pd i g i t a lb r o a d c a s t i n g - r e l a t e dt e c h n o l o g i e ss u c ha s ：a u d i oc o d i n g ， d e c o d i n g ，n e t w o r kt r a n s m i s s i o np r o t o c o la n di pm u l f i c a s tt e c h n o l o g yh a v eb e e n e l a b o r a t e d a f t e rt h a t lt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a l b r o a d c a s t i n gt e r m i n a ls y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i l o nt h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n ，f i r s tp r o p o s e ds e v e r a lk i n do fp l a n sa n d h a v ec a r r i e do nt h ec o m p a r i s o nc h o i c e a n dt h e nt h es y s t e mo v e r a l ls t r u c t u r e i ! i 太原理工大学硕士研究生学位论文 h a sb e e nd e s i g n e da n dt h es t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n go ft h es y s t e mi sg i v e n t h e nt h e p r i n c i p l ea n dc o m p o n e n t so f t h en e t w o r kc o n n e c t i o np l a t f o r m ，w h i c hi s b a s e do nd s 8 0 c 4 0 0n e t w o r km i c r o p r o c e s s o r , a r ed e s c r i b e d a f t e rt h ed e t a i l e d a n a l y s i s o ft h es t r u c t u r a lf e a t u r e sa n df u n c t i o n sf o rt h ee m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e rd s 8 0 c 4 0 0 ，t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dc i r c u i ts t r u c t u r eo f v a r i o u sp a r to f h a r d w a r ea r eg i v e n b e c a u s et h es y s t e mi su s e db ym o s th i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t s ，i ti s n e c e s s a r y i nt h e d e s i g n o ft h ec i r c u i t l a y o u t c a b l i n gg i v e s u f f i c i e n t c o n s i d e r a t i o n t oe n h a n c et h eo v e r a l ls t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep l a t f o r m ，t h e h a r d w a r ed e s i g nh a st a k e nt h ef o l l o w i n gm e a s u r e s ：( 1 ) t h el a y o u ta n da l i g n m e n t o ft h e c o m p o n e n t s ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r dt o c o n s i d e rt h e l i f e ，s t a b i l i t y , e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , s p e c i a la t t e n t i o nw a sp a i dt ot h ed i s t r i b u t i o no f c o m p o n e n t sh e a t ；( 2 ) u s eo fat w o - t i e rp r i n t e dc i r c u i tb o a r dd e s i g n , p r i n t e d c i r c u i tb o a r dc o m p a c ts t r u c t u r e d i g i t a lp o w e rs u p p l y5 v , 3 3 v1 8 vs o m e m o r ep o w e r ；( 3 ) s e l e c t i o no fs m td e v i c e s i ns o f t w a r e s y s t e md e s i g n ，t h e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m sa n d s o f t w a r eo p e r a t i o ne n v i r o n m e n to ft h em i c r o n e t w o r kc o n n e c t i o n ，w h i c hi s b a s e do nt h en e t w o r km i c r o p r o c e s s o r sd s 8 0 c 4 0 0 ，a r ei n t r o d u c e d t h es y s t e m s t c p i pa g r e e m e n ti sa l s op r o p o s e d t h e nt h em a i nd e v e l o p m e n tp r o c e s so f s o f t w a r es y s t e m si s a n a l y z e da n dt h ef l o w c h a r ti sc o n s t i t u t e d a f t e r 蛹a t h e v a r i o u sm o d u l e so ft h em a i nd e v e l o p m e n tp r o c e s sa r ed e s i g n e dc o n c r e t e l ya n d s o m eo f t h e k e yp r o g r a mc o d e sa r eg i v e n 太原理工大学硕士研究生学位论文 i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , t h ef u r t h e r o p t i m i z ei d e ao ft h ei pd i g i t a l b r o a d c a s t i n gt e r m i n a ls y s t e ma sw e l la st h ee x p a n d i n gf u n c t i o n a lc o n c e p ta r e g w e n k e y w o r d s ：d s 8 0 c 4 0 0 ，m p 3 ，s t a 0 1 5d e c o d e r s ，s o c k e t ，u d pp r o t o c o l v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： l 盎：垂 日期： 关于学位论文使用权的说明 主23 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：函! 楚日期： 导师签名： 主魄 日期：j 嗲 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 进入2 0 世纪9 0 年代以来，计算机多媒体技术和网络技术飞速发展，基于网络的多媒 体应用也被运用在多种领域，特别是网络电话、远程监控、音频播放、i p 数字广播领域。 特别是广播系统，更是发生了巨大的变化，i p 数字广播系统【1 】大有取代传统广播系统的 趋势。 传统广播系统存在诸多问题，主要有以下几方面： 1 技术落后，兼容性、扩展性不佳 现有广播基本都是采用模拟传输，人工管理的工作方式，系统易受环境干扰，多路 广播时容易产生串音。无法与i p 网络连接，以真正实现音源数字化、播放管理自动化。 音源基本上都是采用卡座等模拟音源，无法实现数字格式( m p 3 ) 音频文件在终端直接 播放，无法实现自动播放，自动控制。定压广播都是按照功率匹配和阻抗匹配的原则进 行设计的，一但系统布线安装结束，功率扩充的容量十分有限，且节目容量也无法扩充。 2 音质较差、失真度高： 定压传输受线间变压器带宽、喇叭尺寸、电缆线径等因素影响，频响范围在2 0 0 h z 一1 2 k h z ，失真度1 0 ，无法实现立体声传输。 3 安装复杂、维护不便、故障率高 由于传统广播系统的有线广播是严格按照阻抗与功率匹配的原则进行配置，安装相 对复杂，系统内部环节较多，容易发生故障，往往因某一设备故障影响整个系统。 4 可管理性差、无法进行远程控制 由于只能以专用播放设备( 磁带、唱片、c d 机等) 和储存了m p 3 文件的计算机作为 音源，需要专人在专门地点管理广播内容，因此无法使用现代技术对广播音源进行有效 管理，更无法进行远程播放控制，不利于广播系统的灵活应用，造成资源浪费。 与传统的广播系统相比，数字i p 网络广播系统更具优势，主要体现在以下几个方面： 1 更强的功能 ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 纯数字广播系统，涵盖了传统广播系统的所有功能。并充分利用了网络资源，可随 时随地获取网络上的音频资源。由于每个终端有独立的i p 地址，任意一个终端都可以选 择播放不同的节目。实现智能广播较为容易，以太网本身就是一套双向网络。在以太网 上通过软件可轻而易举地实现智能广播的定时、寻址、分组等功能。 在网络中传输， 所以很容易实现多路广播，把不同的数据包发送给不同的终端就可以了。 2 更好的音质 网络广播从节目的制作到传输全部实现了数字化、网络化【2 】，系统信噪比高，不会 在处理、传输等环节产生噪声，从而可以获得比较好的音质。采用了m p 3 压缩算法占用 网络带宽低( 8 k - 1 2 8 k ) 又能保证音质保真度，如采用4 4 1 k h z1 6 b i t 采样，1 2 8 k b p s 速率 压缩，通频带( 线路输出) 2 0 - 1 6 k h z ，而失真度仅小于等于3 。 3 更高的可靠性 传统广播系统的不稳定因素主要取决传输线路的质量，不合理的传输线路或造成不 稳定甚至烧毁大功率的定压功率放大器。纯数字广播系统由于借助于成熟的以太网络通 讯技术，每一个终端设备相当于一台联入网络的简易计算机。网络广播从节目的制作到 传输全部实现了数字化、网络化，系统信噪比高，不会在处理、传输等环节产生噪声， 从而可以获得比较好的音质，用户只需要保证网络的畅通，无需增加其它的维护。 4 更简单的安装 与传统广播系统比较，其安装十分简单，节省布线成本。只要具备电源插座和标准 以太网络接入r j 4 5 插座即可。 随着i p 数字广播系统的发展，i p 数字广播终端设备也得到了快速发展，开发实时可 靠、多功能、数字化、操作简单的基于计算机网络通讯技术和多媒体应用的i p 数字多媒 体广播终端己成为计算机、通信、消费电子产品领域( 3 c 产业c o m p u t e r c o m u n i c a t i o n c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 技术发展的重要要方向之一。 传统意义的数字终端设备，包括i p 数字多媒体广播终端，主要是基于p c 的终端。尽 管这类数字多媒体播放终端具有强大的i p 数字多媒体播放功能和非常友好的用户界面， 但是它具有一个很大的缺点就是使用播放终端播放时必须是基于多媒体p c 平台，且用户 必须熟练掌握p c 技术，这就给许多用户在某些场合带来许多不便，甚至在某些场合，如 车站候车室，公司员工宿舍等不适合使用大量p c 终端的地方，一定程度上限制了i p 数字 广播的应用与推广。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 但是，随着嵌入式技术的快速发展，基于嵌入式技术的i p 数字多媒体播放器有效地 将嵌入式技术和数字多媒体技术结合在一起，可以很好地解决基于p c 的数字多媒体广播 终端在实际应用中存在的不便。与基于p c 的数字多媒体广播终端相比，基于嵌入式技术 的数字多媒体广播终端不但保留了稳定性高，实时性好等特点，还具有：体积小，携带 方便，功能专业化高，成本较低等特点，使适用场合得到了很大的扩展。 本课题既是对一种基于数字多媒体技术和嵌入式系统技术的音频播放器一m p 3 与 p c m 音频流i p 数字广播终端的研究与设计。该嵌入式广播终端基于嵌入式网络微处理器 平台，采用了功能强大的m p 3 硬件解码器【3 】与d a 转换器，并且使用数字多媒体技术，应 用了以太网环境。同时，由于音频流i p 数字广播终端软件设计上采用了相对简单标准的 模块化设计方法，为系统的进一步扩展提供了很大方便。提供了一种应用场合广泛的嵌 入式数字多媒体广播终端的综合解决方案。 1 2 数字流媒体技术简述 数字流媒体佐】指在数据网络上按时间先后次序传输和播放的连续音视频数据流。它 具有连续性、实时性和时序性三个特点。在传统的播放方式下，用户若想在网络上收听 音频节目，必须先将整个文件下载到本地计算机上才能正常播放，而数字流媒体则允 许用户不必等待全部文件下载完毕就可进行播放。只需事先缓存部分内容其他的部分 在后台继续传送。 本质上，数字流媒体技术是一种在数据网络上传递多媒体信息的技术。典型的数字 图1 - ! 数字流檗体传输流程 f i g 1 - 1t r a n s m i s s i o n f l o wo f t h em e d i af l o w 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 流媒体流传输流程如图1 - 1 所示。 为完成媒体流的传输。首先要将原始的音频视频流经过编码和压缩。然后将形成 的媒体文件进行存储( 直播方式不需要进行文件存储) 。当用户发起请求时数字流媒体 服务器根据用户的请求把媒体文件( 或直播的媒体流) 传递到终端用户的数字流媒体播 放器。从数字流媒体传输过程来看。最关键的三个技术环节分别是编码压缩的性能和效 率，媒体服务器的性能和媒体流传输的质量控制，最后是终端播放器的性能和效率。 1 3 数字流媒体的发展现状 近年来，数字流媒体技术在世界范围内已有广泛应用，特别是1 9 9 5 年推出第一个 i n t e r n e t 数字流媒体播放器以来，i n t e r n e t 数字流媒体应用有了爆炸性增长。互联网的 发展更是决定了数字流媒体市场的广阔前景。商业网站利用数字流媒体播放广告、新闻、 音乐直播和点播，企业和机构采用点播和数字流媒体广播进行员工培训、信息发布、公 司介绍等，可提高效率、节约开支。 从技术的角度上讲，所谓数字流媒体是指编码后的多媒体数据通过网络实时的发送 传输、接收解码并播放的过程。数字流媒体技术起源于窄带互联网时期，当时互联网 的通信网络建设还比较落后，用户仅能以非常低的连接速率，通过网络获得静态图文。 如果用户想获得有声有色的多媒体信息，就必须经过漫长的下载等待时间。但随着互联 网的普及，人们希望能通过互联网实时传播一些重要的音频、影像节目，由于这种传播 的实时性非常重要，原先通过完全下载后再收看的方式已无法适应，一种边下载边收听 收看的传输方式也就应运而生了，即用户可以在收听广播的同时，下载后续的广播包。 这种流式传输多媒体内容的方式，也就是数字流媒体技术的起源。数字流媒体技术的发 展依赖于网络的传输条件、媒体文件的传输控制、媒体文件的编码压缩效率及客户端的 解码等几个重要因素。其中任何一个因素都会影响数字流媒体技术的发展和应用。 目前数字流媒体技术已日趋成熟，在世界范围内已有广泛应用，数字流媒体业务正 变得日益流行。数字流媒体技术可以广泛用于互联网多媒体新闻发布、在线广播，网络 广告、电子商务、音频视频点播、远程教育、远程医疗、实时会议等互联网的信息服 务领域。数字流媒体技术的应用将为网络信息交流带来革命性的变化，对人们的工作和 生活将产生深远的影响。 数字流媒体应用最直接的莫过于实时广播服务，也就是人们常说的网络现场直播服 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 务，它指将音频或视频信号从现场实时压缩并上传至数字流媒体服务器后，再向广域网 或局域网播出。网络上现场直播的特点：网络广播的覆盖面远远大于传统媒体( 如广播、 电视) ；网络广播的播出方式比传统媒体的播出方式更容易实现，费用更低。 据统计，有近半数的跨国企业公司在内部使用数字流媒体实现网络广播。数字流媒 体可以说是网络发展的必然结果，也是未来网络发展的全新推动力。宽带网络的逐渐 普及、数字流媒体内容的增加、以及人们对休闲娱乐的要求等，都将促使数字流媒体产 业的快速发展。 数字流媒体技术之所以可以解决多媒体文件的实时传输与播放，有两项重要技术： 即数据压缩和缓冲技术。通常音频和视频文件由于容量巨大，加上带宽的原因，造成传 输速度非常缓慢。数字流媒体的特殊压缩技术可以使得声音和视频文件变得很小，通常 只有传统音频文件( w a v ) 和视频文件( a v i ) 的3 5 ，很适合在网络上发布较长的音频 和视频文件。数据缓冲则是在数字流媒体播放器播放媒体文件前，先在系统缓存中存储 一定量的数据，当数据到达媒体播放器后，首先进入缓存，而媒体播放器播放的数据是 从缓存中提取的。这样，即使网络传输速度偶尔变化，只要缓存中有数据余量，文件播 放品质仍然可以得到维持。数字流媒体技术的上述特点，一方面使多媒体文件体积大大 缩小，对传输带宽的要求不必那么高，方便了文件的存储，节约了存储空间。另一方面 也使数字流媒体在时间上具有高度的敏感性，而这正是实现实时传播的重要保证。既避 免了网络用户长时间等待文件下载的痛苦，又使网上实时直播和实时点播成为可能，这 对于传统的多媒体技术而言是很难实现的。 过去若人们想从网络上观看影片或收听音频节目，必须先将影音档案下载至计算机 储存后，才可以点选播放，不但浪费下栽时间、硬盘空间，也无法满足消费者使用方便 及确切的需要。数字流媒体( s t r e a m i n gm e d i a ) 就可以改变传统网络上影音观赏的不便。 数字流媒体技术利用网络上的封包传输，将数据流不断地传递至使用者的计算机 上。当使用者想要观赏某部影片、收听某段广播或某首歌曲时，只要连上网络，点选所 需内容就可以了，随选随播，非常方便。 影音内容的呈现当然比文字来得真实生动，但容量也比文字内容大得多。所以多媒 体影音要依赖宽频网络的传递，才能达到相当的效果。显然，压缩技术在频宽有限的状 况下，显得格外重要。新一代的压缩技术可以将影片或声音档案压缩成几十分之一，但 仍保有清晰嘹亮的声音与真实生动的画面。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 数字流媒体传输技术的现状 数字流媒体传输的主要技术特征就是采用流式传输，即通过网络将视频或音频传送 到播放终端。实现流式传输有两种方法：顺序流式传输( p r o g r e s s i v es t r e a m i n g ) 和实时流 式传输( r e a l t i m es t r e a m i n g ) 。 1 顺序流式传输 顺序流式传输是顺序下载，用户可以观看在线媒体。但是在给定时刻，用户只能观 看已下载的那部分，而不能跳到还未下载的前序部分，它不能根据用户的连接速度做调 整。顺序流式传输不适合长片段和有随机访问要求的视频、讲座、演说与演示。它也不 支持现场广播，严格说来，它是一种点播技术。 2 实时流式传输 实时流式传输指保证媒体信号带宽与网络连接相匹配，使媒体可被实时观看到。实 时流与h t t p 流式传输不同，需要专用的数字流媒体服务器与传输协议。实时流式传输总 是实时传送，特别适合现场事件，也支持随机访问，用户可快进或后退以观看前面或后 面的内容。理论上，实时流一经播放就可不停地收看，但实际上，可能会发生周期暂停。 3 二者比较 从音视频质量上讲，实时流式传输必须匹配连接带宽，由于出错丢失的信息被忽略 掉，网络拥挤或出现问题时，音视频质量会变差。如欲保证音视频质量，顺序流式传输 更好。实时流式传输还需要特殊网络协议，如：r t s p ( r e a l t i m es t r e a m i n g p r o t o e 0 1 ) ，这 些协议在有防火墙时有时会出现问题，导致用户不能看到一些地点的实时内容，而顺序 流与传输与防火墙无关。但是如果想观看长片段和有随机访问要求的多媒体或者想收听 现场广播只能使用实时流式传输。 目前随着互联网的迅猛发展和普及，数字流媒体业务发展提有了强大的市场动力， 数字流媒体业务正变得日益流行。当今数字流媒体技术，特别是实时流式传输技术广泛 用于在线直播、视频点播、远程教育、多媒体新闻发布、网络广告、电子商务、远程医 疗、网络电台、实时视频会议等互联网信息服务的方方面面，它的应用为网络信息交流 带来革命性的变化，对人们的工作和生活己经产生了深远的影响。 1 5 论文完成的工作 论文对基于嵌入式网络微处理器d s 8 0 c 4 0 0 的i p 数字网络广播终端进行了论证、研 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 究与设计，搭建了实际的硬件电路，并编写t n 试程序用于硬件调试，同时开发了简单 的应用程序。其具体研究内容如下： 1 对i p 广播系统、数字音频信号、网络传输理论等进行较深入的学习研究。 2 对基于嵌入式网络微处理器d s 8 0 c 4 0 0 的网络接口平台的体系结构进行深入的 研究。把握t i n i 开发平台的设计目标、原理及构件，把设计思路体现到设计中去。 3 练掌握d s 8 0 c 4 0 0 微控制器的功能特点及s t a 0 1 5 解码器的原理和使用方法，设 计出了具体的电路。 4 在p r o t e l 开发环境下，绘制出广播终端的硬件原理图，建立所需元件的元件库 和封装库，并做出p c b 板。 5 焊接并调试p c b 电路板。 6 开发测试程序及应用程序，实现具体功能。 1 6 论文的组织结构 论文的其它部分的章节安排如下： 第二章，对i p 数字网络广播系统的相关知识及技术进行了介绍。 第三章，根据i p 数字网络终端的要求，对网络接口电路进行了论证，并制定了系统 的整体结构方案，完成i p 数字广播终端硬件的总体设计，详细描述了系统网络接口、存 储器、解码器、d a 转换器等各个模块的原理及具体设计。 第四章，对t i n i 开发平台的软件系统进行了深入的阐述。制定了系统软件的整体 结构方案及设计各个部分的详细流程。 第五章，具体实现了电路，包括印制电路板的设计与制作。给出元件库和封装库的 建立，原理图的绘制，p c b 的布线，电路板的检查、焊接以及硬件调试的过程。还包括 软件和硬件的统一调试，测试程序和应用程序的编写。 第六章，总结与展望中，对整个系统设计进行了总结，并指出了系统需要完善的部 分，以及可以扩展的新功能。 附录1 ，i p 数字广播终端的硬件原理图。 附录2 ，i p 数字广播终端的电路p c b 图及其实物。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章m p 3 流ip 数字广播终端相关技术 2 1 音频编码原理 2 1 1 采样、量化及p c m 音频格式简介 音频信号的变化包括时域和幅度域的变化。计算机处理的对象是数字信号，如果在 计算机中处理音频信号，必须对输入模拟音频信号进行采样和量化，把模拟音频信号转 换为数字信号。通过采样，把连续的时间信号转换成离散的时间信号，实现时域的离散 化；再通过量化，把采样得到的信号幅值转换成数字的离散的幅度值，实现幅度域的离 散化，这一过程也成为a d 转换。入耳所能感知的音频信号的范围为2 0 h z - 2 0 k h z 。根据 奈奎施特采样定理，采样频率至少为信号中所包含的最高频率的2 倍，以避免混叠效应。 考虑到滤波器的非理想特性，采用提高频率的办法来补偿，也就是把采样频率提高到比 奈奎施特频率高就可以了。因此，目前的数字音频产品如数字唱片等，均采用4 4 1 k h z 的采样频率。 在量化过程中，有一定数量的误差或失真引入到样本值中，这种误差称为量化噪声。 对同样幅度范围的信号，量化等级决定了量化后信号的质量。量化等级数目越多，即采 用二进制数表示幅度的位数越多，量化噪声就越小，反之，量化越粗糙，即采用的的码 位越少，则恢复后的音频信号与原始信号之间的误差损失越大。为了保证输入信号的动 态范围，而又要使量化噪声小，这就要求增加每个样本的位数。量化噪声还决定了所能 达到的最大信噪比( 当然，其他因素诸如输入滤波器和模拟处理过程也会引入一些附加 噪声) 。信噪比通常用d b 数表示。定义为： s n = l o l o g ( s n ) 2 = 2 0 l g ( s n ) 其中s 为信号电压值，n 为噪声电压值。从式中可以看出，信噪比d b 数与量化比特数 成正比。当量化噪声为1 比特时，意味着在量化过程中量化精度每增加一个码子，信噪 比将增加大约( 2 0 l o g ( 2 ) ) = 6 d b 。c 1 ) 的数据格式为1 6 位，最大信噪比可达9 6 d b 。其他专 业产品采用1 8 位或者2 0 位的数据格式以达到更高的信噪比。 p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 脉冲编码调制数字音频格式是7 0 年代末发展起来的，8 0 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 年代初由飞利浦和索尼公司共同推出。p c m 基本工作原理既如上介绍的采样、量化及编 码。p c m 编码的最大的优点就是音质好：在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就 是p c m 编码，c d 、d v d 以及我们常见的w a v 文件中均有应用。因此，p c m 成了约定 俗成的无损编码，代表了数字音频中最佳的保真水准。p c m 最大的缺点就是体积大：我 们常见的a u d i o c d 就采用了p c m 编码，一张光盘的容量只能容纳7 2 分钟的音乐信息。因 此，无论对硬盘还是网络传输来说，p c m 音频数据流的数据量就显得实在太大了。 2 1 2 音频数据压缩方法 为了满足存储容量和传输速度的要求，必须对巨大的数据量进行压缩。数据压缩的 方法有两种：无损压缩和有损压缩，如图2 - 1 。典型的无损数据压缩方法包括对重复数 据流的检测，统计经常发生的符号，并用长度较短的记号来表示。这种方法使用于文本、 计算机程序和其他一些具有较高的时间冗余度的数据流。然而，对音频数据和图像数据 来说，采用传统的方法并不能达到很高的压缩比。例如，一个采样后的音频文件经过通 用的文件压缩器( p k z i p 或g z i p ) 压缩后，长度仅仅减少了1 0 1 5 ，远不能满足使用的要 求。因此，用于数据音频的有损压缩算法不断涌现，不同的算法有不同的音质损失，可 以按时域和频域来划分。 毛- d p c m 陡篆巨 图2 - 1 音频压缩方法 f i g 2 - 1a u d i oc o m p r e s sm e t h o d 一个通常的方法是对连续采样点的差值进行计算和量化，或是对下一帧的实际值与 预测值之间的差值进行计算和量化，而不是针对这些样本点本身。这些差值、误差项同 原始样本值相比具有更小的值，更适合于量化。这就是通常所说的差分脉冲编码调制 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( d p c m ) 。根据当前信号特征对预测值进行调整的方法叫做自适应差分脉冲编码调制( 即 a d p c m ) 。根据所要求的质量，用这种方法可以将语音信号压缩为1 6 4 0 k b i t s 。 另一个对语音信号进行压缩的方法是对声道进行建模，从话音波形中抽出与原理模 型有关的特性参数，对参数进行编码，译码时用特性参数去激励话音生成模型，产生合 成话音。由于仅对参数编码，因此压缩比可以做的很高。这种压缩器称为声码器。例如 线性预测编码l p c ，它可产生速率仅为2 4 k b i t s 的码流，但失真太多，声音听起来有点 刺耳难听。l p c 与矢量量化v q 相结合，产生了c e l p ，即随机代码激励线性预测编码。他 不仅具有l p c 的功能，而且还尽可能多地传送误差项而不超出给定的码速限制。使用码 速为4 8 k b i t s 的c e l p ，就可获得不错的具有电话质量的音频。 使用频域压缩器可以获得具有更高压缩比的高音质的音频。例如，子带编码s b c 。 其方法是：用一组带通滤波器b p f 把输入音频的频带分成若干连续的频段，每个频段称 为子带。对每个子带中的音频信号采用单独的编码方案去编码。在信道上传送时，将每 个子带的代码附复合起来。在接受端译码时，将每个子带的代码单独译码，然后把他们 组合起来，还原成原来的音频信号。 现在有许多不同的频域音频压缩标准，但是最成功的标准都使用相同的基本原理， 这原理被称为声学模型 2 1 3 音频压缩的声学原理 数字音频信号得以压缩的理论依据首先是原始信号本身存在着冗余度，其次是利用 人类的听觉感知系统对某些失真不敏感的特性，即人耳的心理声学模型。信号的冗余度 又包含两个方面：一是客观冗余度，它是可以计算的，同时用来确定音频信号的某些数 字上可预测特性的数量，如周期波形。二是主观冗余度，指由于人耳的听觉特性，音频 信号中包含着被人耳忽略的分量。人耳的听觉特性涉及心理声学和生理声学的问题。例 如人耳对不同频率的声音感觉不同就是生理方面的问题，其中对2 k h z - 4 k h z 的声音最敏 感，且低频较高频敏感。与人的心理知觉有关的有掩蔽效应等。掩蔽效应指一个声音的 听觉感受受到另一个声音影响的现象，分为时间掩蔽( 前向、后向掩蔽) 和频率掩蔽( 同 时掩蔽) 。例如，当一个较强的声音停止后，要过一会儿才能听到另一个较强的声音， 这就是时间掩蔽效应。频率掩蔽是指一个声音对与其同时存在的临近频率的声音产生的 影响，越是临近的频率被掩蔽得越厉害，且低频更易掩蔽高频。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 因此心理声学模型就先用f f t 分析信号中包含的频率分量，将每个频率处受到其他 所有频率分量掩蔽的值加起来，连线得到的曲线就是掩蔽阀值，是频率的函数。当某频 率分量处于曲线下方时，不能被人耳感觉到，则该频率分量可用零比特编码：另一方面， 若能保证量化噪声低于掩蔽曲线，也不被人耳察觉。因此用掩蔽阀值作为量化编码的依 据，就能够保证压缩后的声音质量。m p e g 音频压缩标准i i i ，定义了三个层次的音频压 缩算法，层号随编码器的复杂性和性能一起增加。i s o i e c1 1 1 7 2 3 声频层n 解码器能对 层n 以及n 以内所有层编码的比特流数据进行解码。 2 2m p 3 技术简介 数字技术的应用为人类的生活带来了深远影响，数字音频技术是应用最为广泛的数 字技术之一，c d ，v c d ，d v d 等早己进入千家万户，数字广播，高清晰电视( h d t v ) 正在 全球范围内逐步得到开展。数字技术替代模拟技术带来了很多好处，如更好的抗噪声性 能、低传输带宽时更好的性能，减少传输功耗等。但是原始的数字化信息，需要较大的 存储容量，不太适合长距离传输，因此数据压缩技术成为必需。以c d 为例，其采样率为 4 4 1 k h z ，量化精度为1 6 比特，则1 分钟的立体声音频信号需占约i o m 字节的存储容量。 为了利用有限的存储和带宽资源，压缩技术从一出现便受到广泛的重视。m p e g ( m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 音频标准利用人耳听觉系统的感知特性，去掉人耳听不到的信 息细节。m p e g - i 音频是第一个高保真数字压缩国际标准，支持3 2k h z ，4 4 1k h z 和4 8k h z 三种采样率，输出为3 2k b s - 3 8 4k b s 。面向不同的应用，提供了三个独立的压缩层次： l a y e ri ，l a y e ri i 和l a y e ri i i ，使用户可在复杂性和声音质量之间进行权衡。 m p 3 是m p e g 标准推出后很受欢迎的一个产品，它正是因为采用了m p e gl a y e ri i i 的 压缩算法而得名。m p 3 在保持很高音质的情况下，能得到很高的压缩比。近乎c d 音质的 m p 3 可以做到1 鹏大小的文件可以播放1 分钟，相对于w a y 文件有1 0 ：1 左右的压缩，非常 方便在网络上传送。 随着i n t e r n e t 的流行，加上m p 3 自身的高数据压缩比例和类似c d 的音质，在i n t e r n e t 上很快成为最受欢迎的音频格式。i n t e r n e t 和芯片技术使得音频的发送和播放方式发生 了彻底的改变，音频播放机将在1 0 年内将完全数字化。m p 3 与p d a 、数字相机、游戏机、 手机的结合，进一步拓展了其应用领域。此) f m p 3 播放器还能够被应用在汽车音响和数 字广播等领域。 1 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 m p 3 解码算法相对比较复杂，运算量比较大，在现在的p c 机上可轻松实现，但是在 手持式设备或嵌入式系统里面实现m p 3 解码算法就不是那么容易，需要考虑各种优化方 案，进行硬件加速。 2 2 1m p 3 采用的编码形式 1 子带编码 m p e g 音频采用子带编码s b c ( s u b b a n dc o d i n g ) 。子带编码是把输入的音频信号频带 分割成若干个频带，每一个频带称为子带，将每一个子带中的音频信号单独编码。信道 传输中把每一个子带的代码复合起来，信道接受端由译码器分别对每一个子带单独译 码，然后再组合输出原始音频信号。层一、层二采用卷积滤波器在频域上把音频信号分 成3 2 个子带：然后用音质模型确定每个频带被邻近频带掩蔽的总量，从而确定对子带编 码的数量。为了提高编码质量、增大压缩比，层三除了采用层一、层二的编码方式以外， 还引入滤波器组与正交变换相结合的混合滤波器组，自适应字长，减少混迭失真的电路 及非均匀量化和可变长的嫡编码等。这些都大大提高频率分辨率，并消减数据的冗余度。 层三编码时首先利用滤波器把音频信号在频率上分割成3 2 个子带，然后使用m d c1 ，把 每一个子带分成1 8 个频率行，从而在频率上分离出5 7 6 个频段，把频率分辨率提高到一 个更好的层次。其中每一帧包含1 1 5 2 个样本频率：每一个子带则包含3 6 个样本频率。其 次，通过f f i 变换对音频信号进行子带分析，计算门限值，确定音质模型和缩放因子以 对子带样本进行量化，然后对量化值进行h u f f r n a n 编码，最后把压缩后的音频信号进行 格式化处理并进行传输。 2h u f m a n 编码 对于谱线的量化值，层三采用了h u f r n a n 编码以进一步提高编码性能。对于一个块 的谱线量化值，大数值一般位于低频区，而小数值一般位于高频区。通常将整个频谱划 分成三个区域：从高频开始为连续的零