摘? 要: 介紹了便攜式MP3播放器" title="播放器">播放器及其系統結構以及各個功能單元。在此基礎上,對比了現有的基于ARM、DSP和專用解碼芯片" title="解碼芯片">解碼芯片的幾種設計方法" title="設計方法">設計方法。重點介紹了在使用專用解碼芯片時,芯片的選擇及其應注意的問題。最后,對便攜式MP3播放器發展趨勢做了一些探討。
關鍵詞: MP3解碼芯片? MP3播放器? SOC
?
對于數字音樂產品愛好者來說,便攜式MP3播放器并不陌生。國外已經有很多品牌,其中一些成功地進入了國內市場,如新加坡創新科技、韓國三星電子和美國Diamond等公司,國內也有聯想和萬利達等公司。另外,國內有許多公司正在或準備開發相應的產品。
音樂CD具有44.1kHz 16Bits 立體聲的音頻質量,一張CD可以存儲74min的歌曲(大約15首左右)。如何將這些歌曲無損或基本無損地進行壓縮，以便同樣的空間存儲更多的歌曲，是音頻信號處理的一個研究方向。通過使用MPEG1 Layer3編碼技術,可以得到大約以12∶1壓縮的有損音樂信號。盡管MP3音樂是有損的,它在壓縮過程中對功率譜較弱的信號有所丟失,但它同CD原聲區別不大,并不影響一般音樂愛好者對音樂的欣賞。MP3大大縮小了聲音文件的長度,使音樂的存儲和傳輸更方便。目前Internet網絡上MP3音樂資源非常豐富,各種MP3音樂光盤已上市,將原來CD音樂和磁帶錄音轉換為MP3的應用軟件包也很多,這都將推動MP3音樂的流行。雖然目前MP3導致的版權糾紛不斷,但隨著SDMI(Secure Digital Music Initiative)標準的推出,版權問題終究會得到解決。由于便攜式MP3播放器有體積小" title="體積小">體積小、重量輕、連續播放時間長等優點,越來越得到音樂愛好者的青睞,必將取代傳統的盒式磁帶錄音機和CD唱機。
1 便攜式MP3播放器的系統結構
MP3播放器的原理框圖如圖1所示。
?
1.1 存儲器
目前市場上常見的便攜式MP3播放器的存儲器類型有三大類:
·FLASH:Nand Flash芯片、Compact Flash卡、SMC卡、MMC卡、SD卡、Sony存儲棒;
·磁性存儲器:2.5英寸硬盤， IBM公司的Micro-Driver、Iomega公司的CLICK盤;
·光學存儲器:Audio-CD、CD-ROM、DVD、Data-play。
FLASH芯片具有可靠性高、體積小、無機械觸點和重量輕等顯著優點,是目前便攜式MP3播放器的主流存儲器。單片FLASH芯片的容量越來越大,三星半導體已推出256MB的單片Nand FLASH芯片，日立和東芝半導體已推出128MB的單片Nand FLASH芯片。而且,FLASH的降價幅度和空間都很大。目前32MB FLASH的價格已降至10美元左右，只有1999年初價格的20%,且以后仍有降價空間。可以相信Nand FLASH在未來幾年仍是便攜式MP3播放器的主流存儲器。Nand FLASH之所以在價格上優于Nor FLASH，很大程度上取決于它允許1%壞扇區的標準。而Nor FLASH必須是100%的合格,不允許任何一位的損壞。這點是便攜式MP3開發過程中必須注意的地方,固件(Firmware)必須有一個標注并避開壞扇區的方法。
1.2 通訊接口
常用的通訊接口有以下幾種:打印口,一般設置成ECP或是EPP模式,早期的MP3播放器常使用這種方式進行數據傳輸,但是由于這種方式需要用戶設置計算機的打印口模式,用戶使用不方便,因此新型號的MP3播放器已不再采取這種接口方式;USB1.1接口,由于其具有速度快和即插即用等優點,是目前MP3 播放器的主流數據傳輸方式;IEEE1394接口,由于其具有高達350Mbps的傳輸速度,在采用大容量硬盤作為存儲器的高檔MP3 播放器中,已經開始采用,相信近期會有此類產品推出。
當然,USB2.0也會成為以硬盤為基礎的MP3播放器的未來接口標準。另外,有的MP3播放器不需通過PC機而直接利用內置Modem通過Internet網絡下載音樂。
1.3 解碼芯片
目前市場上主要的MP3解碼芯片供應商有:ST公司、德國Micronas公司、韓國三星公司等。其主要芯片的性能對比見表1。
?
?
表1中,便攜式MP3播放器的SOC(System On Chip)是指集成除數據存儲器以外的所有功能模塊,包括USB接口和音頻CODEC及耳機驅動線路等,SOC-與SOC相比,只缺少音頻CODEC。注明MP3CODEC的芯片既可完成MP3解碼,也可完成MP3的適時編碼。注明CD/MP3的芯片集成有CD-ROM解碼器功能,適合做便攜式CD/MP3產品。國內有些IC設計公司也瞄準了便攜式MP3播放器市場,正在設計開發自己的MP3解碼器芯片。但遺憾的是國內的IC設計公司似乎更重視IC的具體實現,不太重視IC的初期創意,因而在這個快速發展的市場上總是處于被動狀態,在設計初期即使跟蹤了國外比較先進的IC,等自己的IC設計完畢,國外早已經推出更先進更低價的SOC產品了。根據筆者的工作經驗,建議在設計這類數字式IC時,一旦完成了在FPGA上的驗證工作,就應立即與客戶或潛在的客戶溝通,爭取客戶意見,而不要想當然地先去流片。
1.4 DAC和耳機功放芯片
如果選用SAA7750等MP3專用SOC,就不必考慮DAC和耳機功放芯片,因為它將這些全部集成了。但若選用的MP3解碼芯片沒有直接模擬音頻輸出,就必須選擇一款合適的DAC芯片和耳機功放芯片。目前音頻DAC的主要供應商有Philips、Cirrus Logic、TI和AKM等公司。DAC和耳機功放的選擇直接影響音質,在設計時必須將其作為重點之一。
2 設計方法
目前便攜式MP3基本上分為基于專用解碼芯片、DSP或ARM芯片三種類型。
2.1 基于專用MP3解碼芯片
目前市場上有許多種專用MP3解碼芯片,在表1中注明為ASIC。一般來說,ASIC芯片完成了MP3解碼的任務,設計者只需要選擇常用的51系列或其他8位低檔CPU作為主控制器進行管理工作即可。主控制器器的基本功能是通訊、存儲器管理、LCD顯示和鍵盤管理,以及為ASIC芯片提供MP3數據流。當然,選擇一款同時具有USB接口和LCD驅動的CPU, 可以減少PCB尺寸,降低系統總成本。選擇解碼芯片的原則是在保障功能的前提下,優先考慮價格和功耗。
此種設計方法的優點是開發較為簡單、上市快,缺點是系統無法升級,難以適應新的音頻壓縮格式,系統成本" title="系統成本">系統成本也相對較高。
美國ATMEL公司的AT89C51SND1A和韓國三星公司的S3FB42F等芯片雖然集成了MP3解碼器、USB接口、8位CPU和Firmware存儲器等功能模塊,只需外接音頻DAC和數據存儲器即可,但它的基本結構仍舊屬于低檔CPU加解碼芯片方式,只是將各個部件高度集成以降低系統成本而已。
2.2 基于DSP的設計方法
目前TI和ADI公司都推出了基于DSP的MP3解決方案,用同一個DSP完成所有的功能,只需外接音頻DAC即可。SingmaTel公司基于Motorola 56K DSP的MP3專用芯片更是集成了音頻DAC和耳機功放線路。
此種設計方法的優點是系統升級能力強,可以兼容多種音頻壓縮格式甚至未來的音頻壓縮格式,系統成本較低;缺點是開發難度較大,設計者需要移植MP3的解碼算法到相應的DSP芯片中去。
2.3 基于ARM的設計方法
ARM 32位CPU是目前最流行的32位嵌入式CPU。ARM公司開發的基于ARM的MP3解碼程序已經許可給荷蘭Philips、德國Micronas和美國Cirrus Logic等許多公司。Philips的SAA7750是目前集成度最高的基于ARM720T的MP3播放器SOC。它集成了一個ARM720T內核、一個24位DSP核(提供多種音效處理)、384KB FLASH和64KB SRAM、USB1.1接口和音頻CODEC，也集成了CD-ROM解碼器,因此它也是目前最適合于便攜式CD/MP3的芯片。Cirrus Logic的EP7312系列ARM芯片需要外部的USB接口芯片、Firmware存儲器和外部音頻DAC等。
基于ARM方案的優缺點和基于DSP的方案一樣。
由于ARM公司是一家不生產最終IC產品只出售IP(Intelligence Property， 知識產權)的公司,它可以向任何IC設計商和電子產品整機制造商出售各種ARM內核IP。也許購買ARM公司的IP加上自己的特殊功能部件,是國內IC設計公司設計自己專用數字音頻播放器集成電路的最佳方式。
3 發展方向
3.1 體積小重量輕
與傳統的音樂播放器相比,MP3播放器最主要的優勢就是體積小、重量輕。現在市場上已出現僅有BP機和手表大小的MP3播放器。體積愈小,重量愈輕是MP3播放器開發的一個方向。
3.2 Nand Flash作為主流數據存儲器
作為便攜式MP3播放器,價格、存儲器容量以及連續播放時間都是用戶重點考慮的因素。但存儲容量并非越大越好,相信沒有多少用戶會同時喜歡上千首歌曲。基于FLASH存儲器,容量在256MB， 可以存儲4小時歌曲的MP3播放器。由于其價格、體積、重量和耗電等方面的優勢,會比基于硬盤的超大容量的MP3播放器更受歡迎。這是因為,即使硬盤容量再大,還是需要拿到PC機上下載新歌。況且,同時存儲的歌曲越多,選聽歌曲時越不方便。
3.3 USB mass storage class
目前大多數便攜式MP3播放器都需要安裝相應的PC機軟件來下載歌曲,這需要開發者花費許多時間去寫PC程序。如果用戶希望在公司和家里都可以使用同一臺MP3播放器,就必須在兩個地方都安裝相應的軟件,這給用戶帶來不便。微軟公司的Windows 2000和Windows XP等操作系統可以直接支持USB mass storage class，現在國外許多公司已經開始設計支持USB mass storage class的MP3播放器,相信很快就會有產品面市。這種MP3播放器,用戶不需要安裝任何軟件和驅動程序,直接將播放器連接到PC機的USB端口,操作系統就會發現一個新的移動存儲器,用戶只需要簡單拷貝文件到播放器即可。這樣用戶可以在任何地方、任何計算機上下載音樂,無需安裝任何新的軟件。
3.4 多功能設計
在不增加系統成本或增加很少系統成本的情況下,可以增加一些其它功能以增加賣點。主要可以考慮的附加功能如:FM收音、長時間錄音、部分PDA功能。
3.5 集成揚聲器
在現有的便攜式MP3基礎上集成2個揚聲器,以取代傳統盒式磁帶錄音機,類似產品將很快面市。
3.6? USB Audio Class
支持USB Audio Class的便攜式MP3播放器可以成為一款便攜式外置PC聲卡。由于微軟的Windows2000以后的操作系統都支持USB Audio Class,用戶不需安裝任何程序。現有可以支持語音錄音的便攜式MP3播放器,只需增加音頻輸入接口和升級Firmware， 使之支持USB Audio Class即可。USB接口支持等時傳送模式(Isochronous)是支持USB Audio Class的先決條件,SAA7750和PUC3030A兩款芯片的USB端口都支持Isochronous傳輸模式。