便携式MP3播放器的设计.doc

便携式MP3播放器的设计
飞利浦音响系统事业部　杨心怀
上海交通大学电机系（200240）　周洁
摘要：介绍了便携式MP3播放器及其系统结构以及各个功能单元。在此基础上，对比了现有的基于ARM、DSP和专用解码芯片的几种设计方法。重点介绍了在使用专用解码芯片时，芯片的选择及基应注意的问题。最后，对便携式MP3播放器发展趋势做了一些探讨。

关键词：MP3解码芯片　MP3播放器　SOC
对于数字音乐产品爱好者来说，便携式MP3播放器并不陌生。国外已经有很多品牌，其中一些成功地进入了国内市场，如新加坡创新科技、韩国三星电子和美国Diamond等公司，国内也有联想和万利达等公司。另外，国内有许多公司正在或准备开发相应的产品。
音乐CD具有44.1kHz 16Bits 立体声的音频质量，一张CD可以存储74min的歌曲(大约15首左右)。如何将这些歌曲无损或基本无损地进行压缩，以便同样的空间存储更多的歌曲是音频信号处理的一个研究方向。通过使用MPEG1 Layer3编码技术，可以得到大约以12:1压缩的有损音乐信号。尽管MP3音乐是有损的，它在压缩过程中对功率谱较弱的信号有所丢失，但它同CD原声区别不大，并不影响一般音乐爱好者对音乐的欣赏。MP3大大缩小了声音文件的长度，使音乐的存储和传输更方便。目前Internet网络上MP3音乐资源非常丰富，各种MP3音乐光盘已上市，将原来CD音乐和磁带录音转换为MP3的应用软件包也很多，这都将推动MP3音乐的流行。虽然目前MP3导致的版权纠纷不断，但随着SDMI(Secure Digital Music Initiative)标准的推出，版权问题终究会得到解决。由于便携式MP3播放器有体积小、重量轻、连续播放时间长等优点，越来越得到音乐爱好者的青睐，必将取代传统的盒式磁带录音机和CD唱机。
1 便携式MP3播放器的系统结构
MP3播放器的原理框图如图1所示。

1.1 存储器
目前市场上常见的便携式MP3播放器的存储器类型有三大类：
·FLASH Nand Flash芯片、Compact Flash卡、SMC卡、MMC卡、SD卡、Sony存储棒；
·磁性存储器：2.5英寸硬盘， IBM公司的Micro-Driver、Iomega公司的CLICK盘；
·光学存储器：Audio-CD、CD-ROM、DVD、Data-play。
FLASH芯片具有可靠性高、体积小、无机械触点和重量轻等显著优点，是目前便携式MP3播放器的主流存储器。单片FLASH芯片的容量越来越大，三星半导体已推出256MB的单片Nand FLASH芯片，日立和东芝半导体已推出128MB的单片Nand FLASH芯片。而且，FLASH的降价幅度和空间都很大。目前32MB FLASH的价格已降至10美元左右，只有1999年初价格的20%，且以后仍有降价空间。可以相信Nand FLASH在未来几年仍是便携式MP3播放器的主流存储器。Nand FLASH之所以在价格上优于Nor FLASH，很大程度上取决于它允许1%坏扇区的标准。而Nor FLASH必须是100%的合格，不允许任何一位的损坏。这点是便携式MP3开发过程中必须注意的地方，固件(Firmware)必须有一个标注并避开坏扇区的方法。
1.2 通讯接口
常用的通讯接口有以下几种：打印口，一般设置成ECP或是EPP模式，早期的MP3播放器常使用这种方式进行数据传输，但是由于这种方式需要用户设置计算机的打印口模式，用户使用不方便，因此新型号的MP3播放器已不再采取这种接口方式；USB1.1接口，由于其具有速度快和即插即用等优点，是目前MP3 播放器的主流数据传输方式；IEEE1394接口，由于其具有高达350Mbps的传输速度，在采用大容量硬盘作为存储器的高档MP3 播放器中，已经开始采用，相信近期会有此类产品推出。
当然，USB2.0也会成为以硬盘为基础的MP3播放器的未来接口标准。另外，有的MP3播放器不需通过PC机而直接利用内置Modem通过Internet网络下载音乐。
1.3 解码芯片
目前市场上主要的MP3解码芯片供应商有：ST公司、德国Micronas公司、韩国三星公司等。其主要芯片的性能对比见表1。

表1中，便携式MP3播放器的SOC(System On Chip)是指集成除数据存储器以外的所有功能模块，包括USB接口和音频CODEC及耳机驱动线路等，SOC-与SOC相比，只缺少音频CODEC。注明MP3CODEC的芯片既可完成MP3解码，也可完成MP3的适时编码。注明CD/MP3的芯片集成有CD-ROM解码器功能，适合做便携式CD/MP3产品。国内有些IC设计公司也瞄准了便携式MP3播放器市场，正在设计开发自己的MP3解码器芯片。但遗憾的是国内的IC设计公司似乎更重视IC的具体实现，不太重视IC的初期创意，因而在这个快速发展的市场上总是处于被动状态，在设计初期即使跟踪了国外比较先进的IC，等自己的IC设计完毕，国外早已经推出更先进更低价的SOC产品了。根据笔者的工作经验，建议在设计这类数字式IC时，一旦完成了在FPGA上的验证工作，就应立即与客户或潜在的客户沟通，争取客户意见，而不要想当然地先去流片。
1.4 DAC和耳机功放芯片
如果选用SAA7750等MP3专用SOC，就不必考虑DAC和耳机功放芯片，因为它将这些全部集成了。但若选用的MP3解码芯片没有直接模拟音频输出，就必须选择一款合适的DAC芯片和耳机功放芯片。目前音频DAC的主要供应商有Philips、Cirrus Logic、TI和AKM等公司。DAC和耳机功放的选择直接影响音质，在设计时必须将其作为重点之一。

2 设计方法
目前便携式MP3基本上分为基于专用解码芯片、DSP或ARM芯片三种类型。
2.1 基于专用MP3解码芯片
目前市场上有许多种专用MP3解码芯片，在表1中注明为ASIC。一般来说，ASIC芯片完成了MP3解码的任务，设计者只需要选择常用的51系列或其他8位低档CPU作为主控制器进行管理工作即可。主控制器器的基本功能是通讯、存储器管理、LCD显示和键盘管理，以及为ASIC芯片提供MP3数据流。当然，选择一款同时具有USB接口和LCD驱动的CPU， 可以减少PCB尺寸，降低系统总成本。选择解码芯片的原则是在保障功能的前提下，优先考虑价格和功耗。

此种设计方法的优点是开发较为简单、上市快，缺点是系统无法升级，难以适应新的音频压缩格式，系统成本也相对较高。
美国ATMEL公司的AT89C51SND1A和韩国三星公司的S3FB42F等芯片虽然集成了MP3解码器、USB接口、8位CPU和Firmware存储器等功能模块，只需外接音频DAC和数据存储器即可，但它的基本结构仍旧属于低档CPU加解码芯片方式，只是将各个部件高度集成以降低系统成本而已。
2.2 基于DSP的设计方法
目前TI和ADI公司都推出了基于DSP的MP3解决方案，用同一个DSP完成所有的功能，只需外接音频DAC即可。SingmaTel公司基于Motorola 56K DSP的MP3专用芯片更是集成了音频DAC和耳机功放线路。
此种设计方法的优点是系统升级能力强，可以兼容多种音频压缩格式甚至未来的音频压缩格式，系统成本较低；缺点是开发难度较大，设计者需要移植MP3的解码算法到相应的DSP芯片中去。
2.3 基于ARM的设计方法
ARM 32位CPU是目前最流行的32位嵌入式CPU。ARM公司开发的基于ARM的MP3解码程序已经许可给荷兰Philips、德国Micronas和美国Cirrus Logic等许多公司。Philips的SAA7750是目前集成度最高的基于ARM720T的MP3播放器SOC。它集成了一个ARM720T内核、一个24位DSP核(提供多种音效处理)、284KB FLASH和64KB SRAM、USB1.1接口和音频CODEC，也集成了CD-ROM解码器，因此它也是目前最适合于便携式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存储器和外部音频DAC等。
基于ARM方案的优缺点和基于DSP的方案一样。
由于ARM公司是一家不生产最终IC产品只出售IP(Intelligence Property， 知识产权)的公司，它可以向任何IC设计商和电子产品整机制造商出售各种ARM内核IP。也许购买ARM公司的IP加上自己的特殊功能部件，是国内IC设计公司设计自己专用数字音频播放器集成电路的最佳方式。
3 发展方向
3.1 体积小重量轻

与传统的音乐播放器相比，MP3播放器最主要的优势就是体积小、重量轻。现在市场上已出现仅有BP机和手表大小的MP3播放器。体积愈小，重量愈轻是MP3播放器开发的一个方向。
3.2 Nand Flash作为主流数据存储器
作为便携式MP3播放器，价格、存储器容量以及连续播放时间都是用户重点考虑的因素。但存储容量并非越大越好，相信没有多少用户会同时喜欢上千首歌曲。基于FLASH存储器，容量在256MB， 可以存储4小时歌曲的MP3播放器。由于其价格、体积、重量和耗电等方面的优势，会比基于硬盘的超大容量的MP3播放器更受欢迎。这是因为，即使硬盘容量再大，还是需要拿到PC机上下载新歌。况且，同时存储的歌曲越多，选听歌曲时越不方便。
3.3 USB mass storage class
目前大多数便携式MP3播放器都需要安装相应的PC机软件来下载歌曲，这需要开发者花费许多时间去写PC程序。如果用户希望在公司和家里都可以使用同一台MP3播放器，就必须在两个地方都安装相应的软件，这给用户带来不便。微软公司的Windows 2000和Windows XP等操作系统可以直接支持USB mass storage class，现在国外许多公司已经开始设计支持USB mass storage class的MP3播放器，相信很快就会有产品面市。这种MP3播放器用户不需要安装任何软件和驱动程序，直接将播放器连接到PC机的USB端口，操作系统就会发现一个新的移动存储器，用户只需要简单拷贝文件到播放器即可。这样用户可以在任何地方、任何计算机上下载音乐，无需安装任何新的软件。
3.4 多功能设计
在不增加系统成本或增加很少系统成本的情况下，可以增加一些其它功能以增加卖点。主要可以考虑的附加功能如：FM收音、长时间录音、部分PDA功能。
3.5 集成扬声器
在现有的便携式MP3基础上集成2个扬声器，以取代传统盒式磁带录音机，类似产品将很快面市。
3.6 USB Audio Class
支持USB Audio Class的便携式MP3播放器可以成为一款便携式外置PC声卡。由于微软的Windows2000以后的操作系统都支持USB Audio Class，用户不需安装任何程序。现有可以支持语音录音的便携式MP3播放器，只需增加音频输入接口和升级Firmware， 使之支持USB Audio Class即可。USB接口支持等时传送模式(Isochronous)是支持USB Audio Class的先决条件，SAA7750和PUC3030A两款芯片的USB端口都支持Isochronous传输模式。
本文摘自《电子技术应用》