（通信与信息系统专业论文）基于vxworks的ip移动电话的fm音源驱动系统的设计与研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 摘要 i p 移动电话是指使用“无线l a n ( 局域网) ”设备的手机，近年来其数据通信 方式已经被广泛地应用于电脑领域，而基于i p 的语音通信正在掀起普及热潮。 据最新的科技成果，使用无线l a n 接入服务，外出时能以较低的费用进行高达 1 1 m b i “秒的高速因特网接入。综上所述，i p 移动电话拥有着广阔的市场前景。 作为手机必不可少的功能之一，铃声也将是i p 移动电话的标准功能。随着 手机的发展，特别是3 g 时代的到来，和弦铃声已经成为了现代手机的标准功能， 在和弦铃声手机普及的今天，m i d i 单音铃声的手机数量正在慢慢的减少，正面 临着淘汰，和弦铃声已经成为手机的标准配置，因此作为新兴发展的i p 移动电 话，和弦铃声自然成为了首选。 本文是以作者参加基于v x w o r k s 的i p 移动电话的f m 音源驱动系统的设计 与开发为基础详细阐述了在t o m a d o 开发环境下，利用心谯h a 公司生产的 小t 7 5 9 b 芯片来开发f m 音源驱动系统的过程。本文驱动系统采用模块化设计 方法，其关键之处是采用了s m a f 的文件格式作为铃声播放格式，本文设计了 基于s m a f 文件格式的f m 音源的解码器，来实现播放铃声。 文章的最后总结了整个课题，提出了值得进一步研究和优化的部分，并展望 了其应用前景。 关键字：v x w o r k s ，t 0 m a d o ，i p 移动电话，f m 音源驱动，s m a f 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei pm o b i l ep h o n ei st h em o b i l ep h o n ee q u i p p e dw i m 协ew i r e l e s sl a na 1 1 d i t sd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e n l h a sb e e nw i d e l yu s e di nm en e l do ft 1 1 ec o m p u t e r si n t h e1 a s ty e a r s b u tt h ev o i c ec o m m u l l i c a t i o ns y s t e mb a s e do nm ei pt e c l l l l o l o g yi s b e c o m i n gm o r ea j l dm o r ep o p u l a r a c c o r d i 工l gt 0m e n e w e s t t c c h n 0 1 0 9 ya c l l i e v e m e m ， t h eh i g hs p e e du pt o1 1 m b sa c c e s st oi n t e m e to u t d o o r si sa v a i l a b l ew 曲血ew i r e l e s s l a na c c e s ss e r v l c ea n dt h ee x p e n s ei sc h e 印s o 也ei pm o b i l ep h o n eh a sav e r y w i d em a r k e tp r o 印e c t t h er i n gw i l lb eas t a n d a r df u n c t i o no fm ei pm o b i l ep h o n ej u s t1 i k eo nt h e c o m m o nc e l lp h o n e w j 血t h ed e v e l o p m e mo ft h ec e l lp h o n ea n dt h ec o m i n go ft h e 3 gt i m e s ，也ec h o r dr i n gh a sb e c o m eas 伽1 d a r df h 工1 c t i o no f t h em o d e mc e l lp h o n e d u et ot h er a p i dp o p u l a r i z a t i o no ft h ec h o r dr i n g ，m em i d ir i n gs e e m st ob eo u to f d a t e a sar e s u l t ，t h en u m b e ro ft h cc e up h o n ee q u i p p e dw i t hh 皿d ir i n gh a sb e c o m e s m a l l e ra n ds m a l l e ra n dt h ec h o r dr i n gh a sb e c o m eab a s i ca n ds t a n d a r d 如n c t i o no fa c e l lp h o n e c o n s e q u e n t l y ，m ec h o r dr i n gi sp r e f c r r e do nt h ei pm 0 b i l ep h o n ew h i c h i sar i s i n gc o m m u n i c a t i o nt 0 0 1 t h i sp 印e rw h i c hi sb a s e do nt 1 1 ep r o j e c tn a m e d 【t 1 1 ed e s 咖o f f mr i n gd r i v e ro f t l l ei pm o b i l ep h o n ew i t h 廿l eo p e m t i o ns y s t e mo fv x w o r k s “t h 砒t l l ea u m o rt a k ep a r t i nd i s c u s s e s 1 ep m c e s st od e s i g nt h ef m r i n gd r i v e rs y s t e mw i t hm ec h i py m u 7 5 9 b w h i c hi sp r o d u c e db yy a m a h ao nt 1 1 et 0 m a d op l a t f o r h la n dr e a l i z em e 血n c t i o nt o p l a yc h o r dr i n go nt 1 1 es y s t e mw i t har i n gf i l ef b m l a tn a m e ds m a f i nt h ee n d ，m ec o n c l u s i o ni sm a d e ，a n dt h e 缸t u r e 叩p l l c a t i o ni sp r o s p e c t e d k e yw o r d s：v x w b r k s ，t 0 m a d o ，i pm o b i l ep h o n e ，f mm n gd r i v e r s m a f 华东师范大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：酗刍日期： 学位论文授权使用声明 驴。( ，e 善 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 学位论文作者张静寸彳钟鲐 彩商 日期：型亟! 日期：2 翌：f 华东师范太学硕士学位论文 第一章引言 1 1 本文研究背景及意义 本论文是作者在卜- 海敏速信息技术有限公司实习期间完成的。在公司的实习 期间，参加了公司里的项目“基于w i f i 的i p 移动电话的开发”，主要负责项目 中1 p 移动电话的f m 音源驱动系统的开发任务。本文就是作者在参与项目的过 程中，通过研究，并得到公司同事的鼎力协助撰写成的。 i p 移动电话是指使用“无线l a n ( 局域网) ”设备的手机，近年来其数据通信 方式已经被广泛地应用于电脑领域，而语音通信正在掀起普及热潮。最新的科技 成果，使用无线l a n 接入服务，外出时能以较低的费用进行高达1 1 m b i t ，秒的高 速因特网接入。 在越来越多的国家，手机已完全成了一一种日常用品。但是，许多用户对通话 费之高仍有强烈不满。日本的一项调查也表明，有4 4 的人认为通话费用是一 项沉重的负担。不过，如果使用i p 移动电话服务，就能够大幅减少通话费，用 户于机支出费用将会降低到现有手机的1 4 1 l o 左右。 在美国、欧洲和日本用户在便携信息终端( p d a ) 上追加l p 电话功能的 开发也相当活跃。如果在支持无线l a n 的p d a 上安装耳麦，并嵌入通话软件， 就可以立刻变成i p 移动电话。如果将分配给员工的商用p d a 用作公司电话，就 能够大幅削减整个公司的通信费用。日本已有几家公司制定了销售具有i p 移动 电话功能的商用p d a 的计划。 随着手机的发展，特别是3 g 时代的到来，和弦铃声已经成为了现代手机的 标准功能，铃声已经从几年前的单音铃声正逐步发展成为和弦铃声，和弦数从4 和弦、1 6 和弦、目前市面上很多g s m ，c d m a 手机已经支持高达6 4 和弦，而且 目前这类手机正逐步把m p 3 真人真唱铃声功能也作为手机的标准铃声功能，可 以说手机铃声目前正蓬勃发展着。而基于w 1 一f i 的i p 移动手机正在发展之中， 目前国内很多公共场所已经有了基于w i f i 的无线接入a p ，这正是i p 移动手 机的发展的契机。在日本，i p 移动电话已经有商用的案例了，日本的部分手机 厂商正在积极研究发展i p 移动电话，因此国内市场也必将迎来i p 移动手机市场 的到来。鉴于目前移动手机的铃声发展模式，因此选择和弦铃声作为i p 移动手 机的标准配置，是正确的发展方向。 现在应用在手机上的l s i 晋源主要是由y a m a h a 公司开发的f m 音源。f m 音源发生器，是通过音色参数的设定来自由制作声音的合成器。从仅有的几个音 色参数上，就能够获得多彩的音色变差。所以，f m 音源最适合受数据容量限制 的手机终端使用。 s m a f 格式是以f m 音源技术为基础的应用于手机上的一种文件格式，适用 华东师范大学硕士学位论文 于包括声音和画像的多媒体内容的，除了音乐数据之外，还能同时处理文本和画 像( 静止画、动画) 、数码声音的数据( p c m a d p c m 等) 。除了音乐铃声和话 音铃声以外，还可以应用到卡拉o k 、贺词、游戏等，融和音乐、文本及画像为 一体的各种形式的服务与内容。选用s m a f 文件格式可以更好的支持铃声，配 合f m 音源，可以使铃声有更好的表现力，除此之外，配合基于s m a f 格式的 a d p c m 的解码器，更是可以支持真人铃声，从而使铃声的表现力和个性化更加 突出。 1 2 本文的特色和创新点 本文的特色和创新点主要有以下几点： 1 本文采用了集成了v x w o r k s 操作系统的t o m a d 0 2 2 集成环境作为平台，设计 了w i f i 的i p 移动电话的以y m u 7 5 9 b 音频控制芯片为核心的f m 音源驱 动系统。 2 本文采用了f m 音源作为系统音源，从仅有的几个音色参数上，就能够获得 多彩的音色变差。所以，f m 音源最适合受数据容量限制的手机终端使用。 3 本文采用了s m a f 文件格式作为铃声文件格式，这种文件格式是以f m 音源 技术为基础的应用于手机上的一种文件格式，它既支持f m 音源，又支持 a d p c m 的音源。 4 本文的驱动系统设计采用了模块化的设计，整个驱动系统分成了三个模块， m a 2 器件驱动模块、m a 2 硬件音序器驱动模块和s m a f 音序器驱动模块。 1 3 本文研究内容和章节安排 本文的目标是在对f m 音源原理以及对s m a f 文件格式有一定理论认识的前 提下，实现了在集成了v x w o r k s 操作系统的t 0 m a d 0 2 2 集成环境下，以 y m u 7 5 9 b 音频控制芯片为核心的硬件系统上设计f m 音源驱动系统。在这个系 统上能播放y a m a h a 公司所提出的s m a f 文件格式的和弦铃声，最高能实现 1 6 和弦的铃声的播放。论文的结构安排如下： 第一章介绍了论文研究背景、创新以及论文的内容安排。 第二章简单介绍了基于w i f i 技术的i p 移动手机的系统框图以及本课题设 计的总体方案设计。在这基础上比较了各种嵌入式操作系统，然后介绍了 v x w o r k s 操作系统和t o m a d o 集成开发环境。 第三章介绍了本课题中采用的f m 音源和s m a f 铃声文件格式。主要介绍了 以f m 音源为i p 移动手机铃声音源优点、f m 音源原理然后又介绍了a d p c m 原 理及解码流程，以及对s m a f 文件格式的各个数据块做了详细的介绍。 华东师范大学硕士学位论文 第四章主要介绍了音源系统核心部分j 7 5 9 b 。在本章节中还简单介绍了 i p 移动手机的总体硬件设计框图，然后详细介绍_ y m i l 7 5 9 b 音频控制芯片及 其寄存器的各个参数意义，为下面章节的驱动系统设计做准备。 第五章主要介绍了基于y m u 7 5 9 b 音频控制芯片的f m 音源驱动系统设计。 在本章节中主要介绍了音源驱动系统的三个驱动模块设计：m a 2d e v i c ed r i v e r 、 m a 2 s e q u e n c e rd r i v c r 和s m a fs e q u e n c e rd r i v e r ，并设计了一个应用测试程序用 来在下面第六章中进行下载到开发实验板中测试驱动系统，播放铃声。 第六章主要介绍了对v x w o r k s 操作系统的编译过程以及f m 音源驱动系统 的编译过程，最后介绍了把编译生成的f i h n w a r e 从p c 机上下载到i p 移动手机 开发实验板中去，实现播放一段1 6 和弦铃声的全过程。 第七章对本课题进行了总结以及对进一步的研究工作提出了一些建议和展 望。 华东师范大学硕士学位论文 第二章f m 音源驱动系统概述 2 1f m 音源系统结构概述 本文利用开发环境t o m a d 0 2 来作为平台开发驱动程序，利用v i ij 7 5 9 b 芯片 来搭建硬件平台，从而实现最终和弦铃声的播放。 本课题系统包含四个部分，上层应用程序( t e s t 测试程序) ，嵌入式实时操 作系统，底层驱动接口模块( 音源驱动模块) ，硬件系统。本文中拟采用v x w o r k s 作为嵌入式操作系统内核，在t o m a d 0 2 集成开发环境下，开发、编译驱动模块。 在音源驱动方面采用f m 结合a d p c m 音源，铃声文件格式采用s m a f 编解码。 硬件系统利用y a m a h a 公司生产的y m u 7 5 9 b 芯片作为整个硬件系统的核心。 上层应用程序开发一个t e s t 程序来测试铃声的播放。 【t e s t 程序 v x w o r k s 操作系统 f m 音源驱动程序 基于小7 7 5 9 b 音频控 制芯片的硬件系统 图2 一l 系统框图 f i g u r e2 - ld i a 笋a mo f s y s t e m 华东师范大学硕士学位论文 图2 2 f i 手机软件模块图“” f i g i 】r e2 - 2 s ，wm o d u l eo fw i - f im o b i l e p h o n e 2 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统融合多学科技术，是以计算机技术为基础，以通信技术为载体， 以特定产品为对象，引入各类传感器，加入进入i n t e m e t 网络技术的连接，而适应 于应用环境的产品。嵌入式系统的核心是一面向产品需求定制的最优化系统。 早期嵌入式系统中硬件设备的成本占主要部分，为了达到这种晟小化人们都先为 专门的应用来设计硬件体系然后开发相应的软件。然而，随着嵌入式技术的发展， 它的应领域不断扩大，它的软件开发和维护成本不断上升并且占了主导地位。这 就导致了嵌入式系统对软件兼容性方面的要求逐步在加强，这正好促进了嵌入式 系统中使用通用嵌入式操作系统的需求。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关 支撑硬件和嵌入式软件系统构成，是集成软硬件于一体的可独立工作的系统。嵌 入式操作系统所使用的技术大部分是从台式计算机移植过来的，但由于运行环境 的要求，嵌入式操作系统有其独特的要求。 1 要求固化内存。为了提高速度和系统可靠性，嵌入式操作系统的软件( 包括 操作系统和应用软件) 一般都固化在非易失的存储器芯片中，而不是存贮于 磁盘等载体中。 2 要求代码精练、高效、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断 提高、单片存储容量不断增加，但在大多数应用场合中，存储空问仍然是宝 贵的，还存在实时性的要求。为此要求嵌入式操作系统和应用程序精练、代 码执行效率高。而且多变、恶劣应用环境要求系统具有很高的可靠性。 3 要求高实时性。广泛应用于现实世界中的嵌入式设备必须具有与外部环境实 时交互的能力，因此，存多任务嵌入式系统中对重要性各相同的任务进行统 筹兼顾的合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速 华东师范大学硕士学位论文 度是无法完成和没有效率的，所以，嵌入式操作系统的高实时性显得非常重 要。 2 2 1 嵌入式系统的种类 嵌入式系统的商品化操作系统在1 9 7 0 年代后期才出现，下面是一些著名的商 用嵌入式操作系统。 w i n d o w sc e ： m i c r o s o rw i n d d w sc e 是一个简洁的，高效率的多平台操作系统。是 w i n d o w s 家族中最新的成员，专门设计给掌上型电脑所使用的电脑环境。是 一种具有多线程，完整优先权，多任务的操作系统。 u c l i n u x ： u c l r n u x ：是针对无m m i 啪处理器开发的嵌入式l i i l u x 操作系统。它是 标准l i n u x 版本的一个分支，它被设计用在微控制领域。u c l i n u x 具有很强的 移植性、可裁剪性、性能稳定、有一定的实时处理能力。其最大的特征就是 没有内存管理单元模块m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n t1 1 1 1 i t ) ，它很适合那些没有 m m u 的处理器。 p s o s ： p s o s y s t c m 是美国w i n d r i v e r 公司专门为嵌入式微处理器设计和开发的 模块化、高效率、高可靠性的实时多任务操作系统。作为工业标准的实时 操作系统，在嵌入式领域处于领先水平。 v x w o r k s ： v x w o r k s 是w i n 投i v e r 开发的专门而向嵌入式应用的实时多任务操作系 统。它采用微内核的结构，具有支持处理器多，网络协议丰富，兼容性和裁 减性好等特点，同时具有程序动态连接和下载的功能。v x w o r k s 商用嵌入式 操作系统性能优越、系统完整、更新方便完善。 本课题选用的就是v x w o r k s 操作系统，在t o m a d o 集成开发环境下实现对 w i f i 手机f m 音源驱动程序的编译。 2 2 2v x w o r k s 操作系统及t o r n a d o 开发环境简介 v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r j v e r 公司于1 9 8 7 年设计开发的一种嵌入式实 时操作系统( r t o s ) ，是t o m a d oi i 嵌入式开发环境的关键组成部分。 v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司开发专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软 什，为程序员提供了高效的实时任务调度、中断管理，实时的系统资源以及实时 的任务间通信。应用程序员可以将尽可能多的精力放在应用程序本身，而不必再 华东师范大学硕士学位论文 去关心系统资源的管理。该系统主要应用在单板机、数据网络( 以太网交换机、 路由器) 和通信方面等多方面。通过对v x w o r k s 的研究，可以使我们对嵌入式 操作系统的研究和开发更进一步，尤其对国内的类似研制厂家有借鉴意义。 一v x w o r k s 操作系统的主要功能7 1 目前v x w o r k s 操作系统的版本为v x w o r k s5 4 ，其核心功能主要有： 微内核w i l l d 任务问通信机制 网络支持 文件系统和i o 管理 p o s i x 标准实时扩展 c + + 以及其他标准支持 这些核心功能可以与w m d 砌v e r 系统的其他附件和t o m 8 d o 合作伙伴的 产品结合在一起使用。 二v x w o r l 【s 操作系统的特点咖“圳。2 1 1 微内核设计 处于v x w o r k s 实时操作系统核心的是高性能的微内核w i n d 。这个微内 核支持所有的实时特征：快速任务切换、中断支持、抢占式和时问片轮转调 度等。微内核设计减少了系统开销，从而保证了对外部事件的快速、确定的 反应。 运行环境也提供了有效的任务间通信机制，允许独立的任务在实时系统 中与其行动相协调。开发者在开发应用程序时可以使用多种方法：用于简单 数据共享的共享内存、用于单c p u 的多任务间信息交换的消息队列和管道、 套接口、用于网络通信的远程过程调用、用于处理异常事件的信号等。为了 控制关键的系统资源，提供了三种信号灯：二进制、计数、有优先级继承特 性的互斥信号灯。 2 可裁剪的运行软件 v x w o r k s 之所以设计为具有可裁剪性，是为了使开发者能够根据自己的 应用程序需要，而不是根据操作系统的需要，来分配稀少的内存资源。从需 要几个k b 字节内存的深层嵌入式设计到需要更多的操作系统的功能的复杂 的高端的实时系统，开发者也许需要从1 0 0 多个不同的选项中进行选择以产 生上百种的配置方式。许多独立的模块都是在开发时要使用而在产品中却不 再使用。 而且，这些子系统本身也是可裁剪的，这样就允许开发者为最广泛的应 华东师范大学硕士学位论文 用程序进行更为优化的v x w o r k s 运行环境配置。例如，如果应用程序不需要 某些功能模块，就可以将它移出a n s ic 运行库；如果应用程序不需要某些 特定的内核同步对象，这些对象也可以忽略。还有，t c p 、切) p 、套接口和 标准b e r l l e v 服务也可以根据需要将之移出或移入网络协议栈。 这些配置选项可以通过t o m a d oi i 的项目工具图形接口轻易地选择。开 发者也可以使用t 0 n l a d o 的自动裁剪特性，自动地分析应用程序代码并合 并合适的选项。 三v x w o r l 【s 操作系统的基本结构 v x w j r k s 操作系统的基本构成部件主要有以下五个部分 板级支持包b s p o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 微内核w m d 网络系统 文件系统 i ，o 系统 四t o r a d oi i 系统开发工具9 1 “1 3 1 v x w o r k s 操作系统的集成环境叫t o m a d o 。t o m a d o 集成环境提供了高效明晰 的图形化的实时应用开发平台，它包括一套完整的面向嵌入式系统的开发和调测 工具。t o m a d o 环境采用主机一目标机交叉开发模型，应用程序在主机的w i n d o w s 环境下编译链接生成可执行文件，下载到目标机，通过主机上的目标服务器 ( t a 唱e ts e e r ) 与目标机上的目标代理( t a r g e ta g e m ) 的通信完成对应用程序 的调试、分析。它主要由以下几部分组成： v x w o r k s 高性能的实时操作系统； 应用编译工具； 交互开发工具； 在t o m a d o 集成环境上的开发其基本点是动态链接与加载，即t o m a d o 允许 开发者增量地将目标模块加载到目标系统上去，这种动态的链接和加载功能是 t o m a d o 系统的核心功能，可以使开发者省去通常的开发步骤：在主机上将应用 程序与内核链接起来，然后将整个应用程序下载到目标系统上去。这样，编辑一 测试调试的周期会大为缩短：而且，所有的模块都是可以共享的，主机上的应 用程序模块也不需要重新链接，所以，加载目标模块到运行中的v x w o r k s 目标 系统中以达到调试和蓐新配置的目的成为可能。 华东师范大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要介绍了本文所设计的系统框图和采用的嵌入式操作系统，以及进行 了各种嵌入式操作系统的比较，得出了采用的v x w o r k s 的结论，并详细介绍了 v x w 。r l ( s 操作系统的优点和特点。最后本章介绍了集成v x w o r k s 操作系统的开 发平台t 0 m a d 0 2 2 ，本文的驱动系统开发的工作就是在此平台上完成的。 华东师范大学硕士学位论文 第三章f m 音源原理及s m a f 文件格式 3 1f m 音源概述n 1 现在应用在手机上的l s i 音源主要是由y a m a h a 公司开发的f m 音源和 p c m 音源。f m 音源发生器，是通过音色参数的设定，来自由制作声音的合成器。 从仅有的几个音色参数上，就能够获得多彩的音色变差。所以，f m 音源最适合 受数据容量限制的手机终端使用。 s m a f 格式是以f m 音源技术为基础的应用于手机上的一种文件格式，适用 于包括声音和画像的多媒体内容的，除了音乐数据之外，还能同时处理文本和画 像( 静止画、动画) 、数码声音的数据( p c w a d p c m 等) 。除了音乐铃声和话 音铃声以外，还可以应用到卡拉o k 、贺词、游戏等，融和音乐、文本及画像为 一体的各种形式的服务与内容。本课题所要设计的音源就是基于f m 音源的，并 结合了a d p c m 音源实现了高质量的手机铃声的播放。 f m 音源的优点： 1f m 音源发生器，是通过音色参数的设定，来自由镱q 作声音的合成器。从仅 有的几个音色参数上，就能够获得多彩的音色变差。所以，f m 音源最适合 受数据容量限制的手机终端器使用。 2 f m 音源通过音节及其他部分间的重合，可以制作出最适合演奏的音色。制 作曲子时要进行相应的微调整，以此来提高音色的质量，这一点很重要。p c m 音源的主要目的是播放乐音的，所以对乐音进行微调整是很难的。但是，f m 音源却能做到这一点。 3f m 音源音色清脆。因为便携终端器多是放在提包及口袋中行走时携带的， 所以铃声等响声必须是清晰容易听到的声音。否则，无论搭载多么性能好的 音源系统，关键时听不到铃声的话，那么铃声的意义也就不存在了。从这点 上看，f m 音源能够制作包括丰富谐音在内的具有高频率的音色，所以它最 适合手机铃声使用的音源。 4 携带终端器的铃声由于使用输出力小的放大器和小型扬声器来播放的，所以 中低音域再现性就差；只要输入稍微超量，音色就会立即走调。然而，f m 音源因为能够合成波形，在制作音色时虽然需要技巧，但是因为在某种程度 上能够控制谐音发生的音域带，所以能用最适合播放系统的音量和音色来演 奏曲予。因为f m 音源能实时合成波形，所以仅凭少量的数据就能够制作出 内容丰富和变化量大的音色来。除此之外，f m 音源也能够播放出电子琴、 贝思、起音感好的木琴和硬质合成器等具有f m 代表性的合成音色。 因此f m 在存储容量受限的手机e 有着不可替代的作用。 华东师范大学硕士学位论文 3 2 f m 音源原理嘲 f m ( 调频) 音源技术，f m 是f r e q u e n c ym o d u l a t i o n 的省略，表示频率调制， 它是y a m a h a 公司的专利。f m 技术退居二线后，洲a 认采用了p c m ( 脉 码调制) 和f m 双调制的音源技术。随着芯片制造技术的不断完善，p c m 音源 技术成为当今的主流音源技术。即使在p c m 音源技术占绝对领导地位的今天， f m 音源技术仍然在制造特殊音色方面起着一一些不可替代的作用。 f m 音源不是播放乐器的波形的；但是由于它能够合成波形，所以无论从现 有乐器的模拟声，还是到富有独创性的音色，均使无限的音色制作成为可能。 f m 音源的内部里，有很多振荡器。f m 音源是有时通过重合这些振荡器的输 出，有时通过某一个振荡器的输出来使其他的振荡器变调，并改变其输出波形来 进行音色制作的。 在这里，我们把这些振荡器称为运算器，把其组合称为运算法则( a l g o r i t h m ) 。 再有，在运算器中，我们把被变调一方称为载波，把变调一方称为调制器。 通过f m 变调进行音色制作时比较容易理解的，是重复两个接声器的这一点。 即等于一个载波加上一个调制器的运算法则。因为调制器的输出被送到载波上， 所以能听到的只是载波的输出。 这里，如果一提高调制器的音量，载波就会随着音量发生变调，所输出的波 形也迅速随其发生变化。具体地说，就是变调越强，就越会不断地发生新的泛音， 音色由此变得清亮而硬，到了最后会发展到发出刺耳的噪音来。也就是说，通过 调制器的输出，可以调控音色的明暗。 f m 发生器能够制作包括丰富谐音在内的具有高频率的音色。正因为f m 系统 能够利用相对简单的电路来产生既有和声又有非和声的波形，因此能够发出音域 很广的声音，例如从自然乐器产生的声音到电子乐音。 图3 1f m 调频原理图 o * 2 ：c 日蛔 f 华东师范大学硕士学位论文 f i g u r e3 - ld i a g r a mo f f r e q u e n c ym o d u l a t i o n 通常调制的声音我们称为调制波，被调制的声音称为载波。对于调制波和载 波，其音调，包络、波形都可以独立设置。调制波和载波这两个部分都可以称作 为一个独立的运算器。 m 。缸l 曲缸 i 上 i c ，。溏 l o i 耐 l 诎e 则 图3 2 运算器 f i g u r e3 - 2o p e r a t o r 运算器是发生个正弦波部分。多个运算器( o p e r a t o r ) 的组合称为运算法则 ( a l g o r i t h i n ) 。o p e r a t o r 的前段称为调制波( m o “1 a t o r ) ，后段称为载波( c a r r i e r ) 。 各运算器可以设定频率和包络( e n v e l o p e ) 波形。 在本课题f m 音源系统中共有四种运算法则，一种模式是两运算器产生一个 个声音模式，另一种是四运算器产生一个声音模式，其中第一种模式又可组成两 种运算法则，第二种模式可组成四种运算法则，其示意图如下： 华东师范大学硕士学位论文 图3 3 运算法则示意图 f i g u r e3 3m o d e o fo p e m t o rc o n n e c t i o n 图3 2 的构成可以用下式表示。 f = a s i n ( c 什is i n m t ) a 是载波( c a r r i e r ) 的振幅，i 是调制波( m o d u l a t o r ) 的振幅，( i ) c 是载波( c a r r i e r ) 的角频率，。m 是调制波( m o “1 a t o r ) 的角频率。 为了做出幅度更广的音，就要准备进行反馈“f e e d b a c k f m ”。这个反馈功能 只有在调制( m o “1 a t o r ) 部分进行。f e e d b a c kf m 用下式表示。 f = as i n m t + bf m ( t ) 其中b 叫做反馈率。 3 3s m a f 文件格式n 3 1 3 3 1s 脚概述 芯片y m u 7 5 9 b 的内建硬件音序器是支持s m 觚文件格式作为它的音序数据 的，因此在所有满足s m a f 文件规范的音乐文件都是可以被正确解码的。 s m a f 是s y n t l l e t i cm u s i cm o b i l ea p p l i c a t i o nf o n n a t 的缩写，是雅马哈开发出 来的多媒体数据形式。s m a f 的规格，被定义为在便携终端器上能够播放多媒体 文档形式。s m a f 文档，与同类的s m f ( 标准m i d i 文档) 等相比，具有文档尺 寸小、表现力强的优点。 华东师范大学硕士学位论文 根据s m a f 具体规格制作的数据是在一个单一文件中包含了一个或多个压缩 数据序列。这些数据序列是被作为一个能被在目标设备上播放的结合体形式的。 所有的序列是按照同样的时间轴来回放的，换而言之，所有的序列是同步播放的， 那么s m a f 就是这么一种描述同步回放的数据格式。 现在，s m a f 主要被用于制作基于y a m a i a 公司的移动终端音源发生l s i 的手机铃声上；不过，作为s m a f 扩充规格，也可用于文本及图形的显示上。 这样，在制作手机终端器上用的多媒体曲目时，s m a f 就为其提供了一个性能强 而可行的空间。 3 3 2s m a f 文件格式特性 s m a f 文件格式采用了块结构，所以同步音乐轨迹，音频轨迹和图像轨迹包 括文本显示都可以独立的用s m a f 这个文件格式来描述，因此s m a f 这个文件 的格式的扩展空间还是非常的大的，例如：s m a f 文件还可以应用在卡拉o k 上， 也作为商业广告的形式之一。 在本课题中我们着重介绍s m a f 作为手机铃声文件格式的应用，所以其它的 应用方案就不详细介绍了。 所有的轨迹都是用种单一的格式来进行组合描述的，所以可以说这些 s m a f 文件格式所支持的轨迹可以在不同的应用程序中进行同步处理。 由于回放是实时的，单独的轨迹回放能在不同的设备之间精确的同步。 一般情况下s m a f 文件大小大约为s m f 文件的1 2 到2 3 ，因此它的文件大小是 非常小的的，这样器件的存储器容量就可以相对的降低。 3 3 - 3s m a f 文件块结构 s m a f 文件是由一个个数据块组成的。这些数据块组成了s m a f 数据的最基 本结构。块结构的图示如下： 华东师范大学硕士学位论文 图3 4s m a f 块结构 f i g u r e3 4 c h u l l ks 廿u c m r eo fs m a f 正如卜图所描述的，卟块包含了共有四个部分 1 8 个字节的头部信息 2 块的i d 标识 3 块的容量信息 4 一个可变长度的数据体 有了块的概念，s m a f 文件可以由各个不同的块来组成一个完整的文件，但 是也可以单独由一个音乐轨迹来组成，也可以包含很多其它的数据块，如文本信 息，图像信息等。以下是一个完整的s m a f 文件格式的结构图： 华东师范太学硕士学位论文 图3 5s m a f 文件格式结构图 f i g u r e3 5d l a g r a m o fs m a ff o r m 姐 在s m a f 文件规范中，并没有对轨迹数提出具体的限制和要求，因此，在 华东师范大学硕士学位论文 s m a f 文件中可以包含很多轨迹信息，用来存储音乐轨迹信息，文本等，这就使 s m a f 文件格式大大增加了可扩展性，但是在本课题中采用的音源芯片 y m u 7 5 9 b 只支持f m 和a d p c m 这两种数据，其它的如文本和图像等都不在支 持之列。另外s m a f 文件格式对轨迹的次序也没有作出任何限制，这样就使这 一文件格式增加了可编辑性。 3 - 3 4 具体文件块介绍 文件块描述了整个s m a f 文件。而且在这个块里面，c r c 被包含在文件块 里面。在文件中c r c 主要是用来检查文件是否完整。 整个文件是以目录信息块开始的，然后是各个轨迹信息块，在这些轨迹中存储着 各种信息数据，在文件中每个块的i d 标识都是不。一样的。 1 目录信息块 这个数据块存储着用来管理s m a f 文件的信息，数据是按照以下的顺序存储在 数据体中的。 内容种类 这部分数据是用来表示内容种类的。 内容类型 表示内容的类型的，例如是铃声，卡拉o k 数据还是商业广告内容。 内容字符编码类型 规定了字符编码设定，例如英语、中文、德语还是u n i c o d e 。 拷贝状态 存储了关于文件内容传输、保存、拷贝的许可信息。 拷贝数量 存储了文件内容被已经拷贝的次数信息。 2 可选数据块 在这个块里面存储了一些例如类型，歌曲题目，艺术家、作者或者作曲家的 名字等信息，这些信息对于一个铃声来说不是必需的，它只在特殊数据识别的时 候用到。 3 乐谱轨迹数据块 华东师范大学硕士学位论文 在这个块里存储着铃声回放的音序数据。主要包括以下几个参数： 格式类型 音序类型 t i l l l e b a s e p t i m e b a s eg 通道状态 寻找表达信息块 建立数据块 音序数据块 p c m 流数据块 下图是乐谱轨迹数据块的结构图。 图3 6 乐谱轨迹数据块 f i g u r e3 - 6d i a g r a mo fs c o r et r a c kc h u i l k 以下是数据头中的参数单独简单说明： 格式类型： 定义了轨迹数据块的真实的格式。目前，s m 舡只定义了三种类型的格式， 分别是：标准手持电话格式、压缩标准移动格式和无压缩标准移动格式。标准手 华东师范大学硕士学位论文 持电话格式这种数据格式已经被广泛应用，它能兼容几代手持电话机上的铃声格 式。标准移动格式可以支持类似m i d i 铃音的数据格式。 音序数据类型： 定义了一种简单的连续的序列数据流或者一连串乐句数据。 t i m e b a s e _ d i ： 这个参数指定了各个事件之间的时间。事件指的就是在发音期间所发生的事 件，比如说声音的开启、关闭操作；音量的变化操作等事件。这个参数被包含在 序列数据里。 为了满足m a 2 规格，s m a f 再生系统中所有的轨迹的这一参数必须相同，如 果不相同，所有的轨迹的t i m e b a s ed 参数值将会被设置成最小的值，但是有可 能会出错。另外为了满足m a 一2 的规定，这。参数必须和t i m e b a s eg 参数值相 同，不然s m a f 再生系统会报错或者不发出音调。 t i m e b a s e _ p ： 这个参数指定了发音的时间，这个参数也被包含在序列数据里面。其参数值 的设置方法必须和t i m e b a s ed 的参数值相同。下图是s m a f 再生系统中对 t i m e b a s ed 参数和t i m 出a s eg 参数值的设置。 n t 幽i d 妇，s h 酗善；雠嘲u em a 2 粕证o e5 醚池g 柏l i j e 10 蝴酝0 e 妁l 镰l 40 纳2 5。妫30 婷 1 00 x 1 0x 4 2 0瓠i l螂 4 0 瓤1 20 妊 5 go x l 30 x 7 表3 1 t i m e b a s e 设置 t a b l e3 1 t a b l eo f t 硫e b a s es e t t i n g 通道状态信息： 这个参数存储了各种通道状态信息。除此之外也可以存储其它信息，例如 与连续音数据同步进行的l e d 和震动状态信息等数据。 4 p c m 音频轨迹数据块 华东师范大学硕士学位论文 图3 7p c m 音频轨迹数据块 f i g u r e3 - 7d i a g r 咖o f p c ma u d j ot r a c kc h u n k p c m 音源的主要目的是播放乐音的。通过p c m 音源播放出来的声音还原真 实，但是对乐音进行微调整是很难的，而f m 就可以很方便的做到这一点。在 f m 音源的基础上加上p c m 音源的支持可以是铃声有更好的表现力。本文中涉 及到的f m 音源芯片也支持a d p c m 的乐音，因此在编写了基于s m a f 文件的 a d p c m 音源的解码器后也可以播放a d p c m 的铃音。 p c m 音频轨迹数据块包括了格式识别数据和各种不同的子数据块。以下是它 参数及其概述。 格式类型 序列类型 波形类型 t i m e b a s ed t i m e b a s eg 寻找乐句信息数据块 数据建立数据块 序列数据块 波形数据数据块 格式类型定义： 定义了一种简单的连续的序列数据流或者一连串乐句数据。在s m a f 再 生系统里只兼容了标准手持电话格式，如果定义了其它格式，系统将会报 错。 华东师范大学硕士学位论文 序列类型： 定义了序列数据的类型。在s m a f 再生系统中只兼容流序列数据。 波形类型定义： 定义了波形数据块的格式。这个格式内容包含了以下几项：通道、格式、 采样频率和基本位。在本s m a f 再生系统中只支持单声道，格式为 a d p c m 的格式。采样频率只支持4 k h z 和8 k h z 。数据基本位为4 b i t 。 t i m e b a s e p ： 定义了各个事件之间的标准时间，这个参数被序列数据所用到。 t i m e b a s e _ g ： 定义标准发音时间，这个参数被定义在序列数据里面。