MP3

MP3全称是MPEG Audio Layer 3，MPEG压缩格式是由运动图像专家组（Motion Picture Experts Group）制定的关于影像和声音的一组标准，其中MP3就是为了压缩声音信号而设计的是一种新的音频信号压缩格式标准。CD唱片采样率频率为44.1MHz, 16Bits, 数据量为1.4Mbps，而相应的MP3数据量仅为112kbps或128kbps，是原始数据量的1/12。也就是说传统的一张CD现在可以存放10倍甚至更多容量的音乐，但是在人耳听起来, 感受到的音乐效果却没有什么不同。         MP3随身听的工作原理，其实很简单，反正就是有一块不知什么型号的控制芯片，控制解码芯片和LCD液晶屏，由解码芯片把内置闪存或是外插闪存卡之中的MP3文件解码，然后经数模转换，最后从耳机输送到我们的耳朵中。也就是说一共没几块芯片。你如果拆一个MP3随身听看看，你会发现里面比较大的半导体芯片只有4、5片。现在新一代的MP3随身听在技术上是非常先进的，最具代性的是NOMAD II，基于美国CirrusLogic最新的EP7209 MCU（微程序控制器）芯片组，它的作用实际上就像电脑里的CPU，经过软件解码，可以支持多种网络音乐格式，包括MP3，以及日后的WMA格式。而国内使用这种芯片制造的MP3随身听也即将问世。         起初，MP3文件只能由电脑来播放，而随着互联网的发展，文件小、音质可与CD媲美的MP3音乐越来越适合人们在Internet上传递，而广为流行。再加上全世界范围内的MP3下载网站泛滥，使人们传统的听音乐习惯发生了改变。MP3的逐渐流行，随时随地欣赏MP3音乐的需求越来越高，这就创造了MP3播放器的市场。         越来越多的各种类型的MP3随身听不断问世，MP3随身听已经成为续MD之后新兴的随身娱乐设备的亮点。目前，在全球市场上的MP3随身听有几十种之多，在中国销售的也有十种以上。CVC的1系列和2系列，三星的YEPP系列，世韩的MPMAN系列都是其中的佼佼者。现在日本SONY公司也插一脚，采用SONY自行开发的MEMORY STICK存储介质的MP3随身听也面世了。           所以说到目前为止，MP3随身听在国内的宣传绝对比已经推出好几年的MD声势浩大的多，有很多认对MP3随身听越来越感兴趣，那么同样是随身携带的听音乐的玩艺，你到底会选什么呢？WALKMAN、DISCMAN、MD还是MP3 PLAYER。 最近从英特网上知道：新科宣布成功开发出全球第一台能播放MP3的超级VCD影碟机，已全面上市，自1999年3月15日起为其超级VCD影碟机用户做技术升级(只花50元)，使之能播放MP3音乐碟，并首发新科音像正版MP3音乐碟。 那么什么是MP3，其基本原理是什么?有何优点?其用途怎样?下面就这些问题作比较详细的介绍。 一、MP3及其基本原理　　　 　MP3就是采用国际标准MPEG中的第三层音频压缩模式，对声音信号进行压缩的一种格式，中文也称“电脑网络音乐”。MPEG中的第三层音频压缩模式比第一层和第二层编码要复杂得多，但音质最高，可与CD音质相比。为了更深入地理解，先把MPEG－1音频标准的特点作一些介绍。　　 1MPEG－1音频标准的特点　　 MPEG－1音频压缩标准是第一个高保真音频数据压缩标准。除了AC－3之外，其他的音频压缩算法只适用于语言(如码激励线性预测CELP)或只有中等的压缩质量(如自适应差分脉冲编码调制ADPCM)。MPEG－1音频压缩标准虽然是MPEG－1标准的一部分，但它完全可独立应用。　　为保证其普遍适用性，MPEG－1音频压缩标准提供了以下压缩模式：　　 (1)音频信号采样频率可以是32kHz，441kHz或48kHz；　　(2)压缩后的比特流可按下列4种模式之一支持单声道或双声道；　　 ·提供给音频通道的单声道模式(monophonic mode). 　 　·提供给两个独立的单音频通道的双－单声道模式(dual－monophonic mode).·提供给立体声通道的立体声模式(stereomode),通道之间有比特共享。　　·联合立体声模式(joint－stereomode)，利用立体声之间的关联或通道之间的相位差的无关性，或者对两者同时利用。　　(3)压缩后的比特流具有预定的几种比特率之一。此外，MPEG－1音频标准也支持用户使用预定的比特率之外的比特率。　　(4)MPEG－1音频标准提供三个独立的压缩层次，使用户可在复杂性和压缩质量之间权衡选择。　　·层1 (Layer 1)最为简单，使用的比特率384kb／s，主要用于数字小卡座DCC(Digital Compact Cassette)。　　·层2 (Layer 2)的复杂度属于中等，使用的比特率192kb／s左右。其应用包括：数字广播(Digital Audio Broadcasting)的音频编码，CD－ROM上的音频信号以及交互式CD－I(CD－zinteractive)。　　·层3 (Layer 3)最为复杂，但音质最佳，使用的比特率为64kb／s，尤其适用于综合业务数据网(ISDN)上的音频传输。　　(5)编码后的比特流支持循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)。　　(6)MPEG－1音频标准还支持在比特流中载带附加信息。　　2MPEG－1音频标准的基本原理　　MPEG－1音频标准是一个普遍适用的音频压缩标准，它对音频源没有任何要求。它利用人耳听觉系统的感知特性，压缩率的取得来自去掉人耳听不到的信息细节，即图1和图2曲线以下的部分。虽然压缩是有失真的，但对人耳来说这些失真是听不到的。也即对人耳而言，MPEG－1音频压缩是不失真的。因此，MPEG－1音频标准的应用非常广泛。　　3MPEG－1声音的一些性能指标　　利用MPEG－1音频标准一般能达到的压缩率(以仍能达到CD音质为准)如表1所示。　　MPEG层3在各种音质下的性能如表2所示。　　MPEG－1编码解码器的各层延迟时间如表3所示。　　从上述MPEG－1音频标准可看出：高压缩比是MP3的一个主要特性，其基本理论就是去除节目源中人耳听觉阈以外的所有信号，并将大信号掩盖下的小信号也加以除去，因为人耳具有掩盖效应，这种变化基本上觉察不出来，这样实际记录的信息量就比压缩前小得多，其压缩比可在10∶1～96∶1( 这次新科采用的是CD音质的12∶1)。这样，一张只能容纳十几首歌曲的光盘，就可记录150首以上的MP3格式歌曲。MP3的这一特性，大大节约了节目成本，肯定会受用户欢迎。 二、MP3的优点　　　↑ 　　MP3的突出优点是：压缩比高，音质较好，制作简单，交流方便。　　压缩比高上面已述。音质是人们关心的一个焦点。虽然MP3对原始信号进行了高压缩比处理，但因为去除的大多是一些无关紧要的信号，因此单纯从听感上说，MP3压缩几乎对音质没有影响。事实上，制作精良的MP3音乐碟，在专门的数字随身听(比如MPMan)中播放，完全可以达到普通CD唱机播放CD唱片的音质水平。但最吸引人的还是MP3制作和交流上的方便。只要有一台电脑，就可将CD节目录入电脑硬盘，然后压制成MP3格式。也可直接从Internet网上下载MP3音乐，网上有取之不尽的MP3音乐。还可把你自己制作的MP3音乐上网交流。良好的音质和丰富的节目源将使MP3成为最佳的大众音乐媒体。　　当然，MP3的高压缩比是以牺牲细微的音质换来的，无疑会对音质产生一定的影响，对一般人和爱好者不会在意，但MP3是否能为Hi－Fi发烧友喜爱?!只有他们自己来回答。 三、MP3的用途　　　 　　由于MPEG－1是一个通用的标准，所以其应用非常广泛，如：　　·数字无线电广播的发射和接收　　·数字电视伴音，包括音乐、Internet电话　　·数字声音信号的制作与处理　　·数字声音信号的存储　　凡涉及数字声音的地方都可利用MPEG－1音频标准。利用MPEG－1层3的音乐CD光盘在国外早已上市，可存储160多首歌曲，仍能保持CD音质。　　有关MP3的用途，上面谈其优点时已经谈到一些。除了可在电脑上享受MP3外，对没有电脑和对电脑一窍不通的人来说，也可以享受MP3的乐趣，现在有两种途径：　　一是采用MP3随身听，比如目前市场上正火爆热卖中的数码随身听有Diamond(帝盟)公司的PMP300和Sansung(三星)公司的MPMan。前者内置32MB快闪存储器(FLASHROM)，仅手掌般大小(889cm×1.59cm)，便于携带，支持长达1小时的数码音频播放和可变压缩速率，附有MP3音乐样碟，还可插更多的快闪存储卡存储更多的歌曲。　　MPMan可播放各种音质的MP3声音文件，如用来播放音乐，32MB内存的MPMan可存放40分钟CD音质音乐。如用来学习外语，可存放300分钟磁带音质语音资料。体积只与3英寸磁盘相仿，厚度只有15mm。重量轻，连同电池只有140克。耗电省，充电电池充电2小时，可使用9小时，真正做到了便于随身听。但这比较贵，我国一般人还买不起。　　二是新科能播放MP3的超级VCD影碟机，一般新科超级VCD影碟机用户可花很少一点钱就可升级播放MP3碟片。不久将上市的新科SVD900、910、920(MP)系列便携式超级VCD影碟机不仅可“随身听”，还可“随身看”。现在还不知道其他的超级VCD影碟机是否也能升级播放MP3碟片，作为一个契机，我想厂家应该考虑。 MP3工作原理 MP3播放器是利用数字信号处理器DSP（Digital Sign Processer）来完成处理传输和解码MP3文件的任务的。DSP掌管随身听的数据传输，设备接口控制，文件解码回放等活动。DSP能够在非常短的时间里完成多种处理任务，而且此过程所消耗的能量极少（这也是它适合于便携式播放器的一个显著特点）。 一个完整MP3播放机要分几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放、显示界面和控制键。其中中央处理器和解码器是整个系统的核心。这里的中央处理器我们通常称为MCU（单片微处理器），简称单片机。它运行MP3的整个控制程序，也称为fireware（或者固件程序）。控制MP3的各个部件的工作：从存储设备读取数据送到解码器解码；与主机连接时完成与主机的数据交换；接收控制按键的操作，显示系统运行状态等任务。解码器是芯片中的一个硬件模块，或者说是硬件解码（有的MP3播放机是软件解码，由高速中央处理器完成）。它可以直接完成各种格式MP3数据流的解码操作，并输出PCM或I2S格式的数字音频信号。 存储设备是MP3播放机的重要部分，通常的MP3随身听都是采用半导体存储器（FLASH MEMORY）或者硬盘（HDD）作为储存设备的。它通过接受储存主机通讯端口传来的数据（通常以文件形式），回放的时候MCU读取存储器中的数据并送到解码器。数据的存储是要有一定格式的，众所周知，PC管理磁盘数据是以文件形式，MP3也不例外，最常用的办法就是直接利用PC的文件系统来管理存储器，微软操作系统采用的是FAT文件系统，这也是最广泛使用的一种。播放机其中一个任务就是要实现FAT文件系统，即可以从FAT文件系统的磁盘中按文件名访问并读出其中的数据。 主机通讯端口是MP3播放机与PC机交换数据的途径，PC通过该端口操作MP3播放机存储设备中的数据，拷贝、删除、复制文件等操作。目前最广泛使用的是USB总线，并且遵循微软定义的大容量移动存储规范，将MP3播放机作为主机的一个移动存储设备。这里需要遵循几个规范：USB通信协议、大容量移动存储器规范和SCSI协议。 音频DAC是将数字音频信号转换成模拟音频信号，以推动耳机、功放等模拟音响设备。这里要介绍一下数字音频信号。数字音频信号是相对模拟音频信号来说的。我们知道声音的本质是波，人说能听到的声音的频率在20Hz到20kHz之间，称为声波。模拟信号对波的表示是连续的函数特性，基本的原理是不同频率和振幅的波叠加在一起。数字音频信号是对模拟信号的一种量化，典型方法是对时间坐标按相等的时间间隔做采样，对振幅做量化。单位时间内的采样次数称为采样频率。这样一段声波就可以被数字化后变成一串数值，每个数值对应相应抽样点的振幅值，按顺序将这些数字排列起来就是数字音频信号了。这是ADC（模拟-数字转换）过程，DAC（数字-模拟转换）过程相反，将连续的数字按采样时候的频率顺序转换成对应的电压。MP3解码器解码后的信息属于数字音频信号（数字音频信号有不同的格式，最常用的是PCM和I2S两种），需要通过DAC转换器变成模拟信号才能推动功放，被人耳所识别。 MP3播放机的显示设备通常采用LCD或者OLED等来显示系统的工作状态。控制键盘通常是按钮开关。键盘和显示设备合起来构成了MP3播放机的人机交互界面。 MP3播放机的软件结构跟硬件是相对应的，即每一个硬件部分都有相应的软件代码，这是因为大多数的硬件部分都是数字可编程控制的。 一下，最简化的MP3的工作原理我们可以概括如下：首先将MP3歌曲文件从内存中取出并读取存储器上的信号→到解码芯片对信号进行解码→通过数模转换器将解出来的数字信号转换成模拟信号→再把转换后的模拟音频放大→低通滤波后到耳机输出口，输出后就是我们所听到的音乐了。 全球闪速存储器的技术主要掌握在AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。 1. NOR技术 NOR NOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可*性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。 NOR技术Flash Memory具有以下特点：(1) 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；(2)可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如CompactFlash卡中继续看好这种技术。 Intel公司的StrataFlash家族中的最新成员——28F128J3，是迄今为止采用NOR技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到128Mb（位），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用0.25μm制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的MLC技术。所谓MLC技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有4个阈电压（00/01/10/11），因此可以存储2b信息；而传统技术中，每个存储单元只有2个阈电压（0/1），只能存储1b信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。Intel通过采用称为VFM（虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。 DINOR DINOR(Divided bit-line NOR)技术是Mitsubishi与Hitachi公司发展的专利技术，从一定程度上改善了NOR技术在写性能上的不足。DINOR技术Flash Memory和NOR技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于NOR，而块擦除速度快于NOR。这是因为NOR技术Flash Memory编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使电位从1变为0；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从0变为1。而DINOR技术Flash Memory在编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。DINOR技术Flash Memory在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与NOR技术相反。 尽管DINOR技术具有针对NOR技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的NOR技术相抗衡的能力。目前DINOR技术Flash Memory的最大容量达到64Mb。Mitsubishi公司推出的DINOR技术器件——M5M29GB/T320，采用Mitsubishi和Hitachi的专利BGO技术，将闪速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除操作，而无须外接EEPROM。由于有多条存取通道，因而提高了系统速度。该芯片采用0.25μm制造工艺，不仅快速读取速度达到80ns，而且拥有先进的省电性能。在待机和自动省电模式下仅有0 33μW功耗，当任何地址线或片使能信号200ns保持不变时，即进入自动省电模式。对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以一展身手。 2. NAND技术 NAND Samsung、Toshiba和Fujitsu支持NAND技术Flash Memory。这种结构的闪速存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。 NAND技术Flash Memory具有以下特点：(1)以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。(2)数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。(3)芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，将很快突破每兆字节1美元的价格限制。(4)芯片包含有失效块，其数目最大可达到3~35块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。Samsung公司在1999年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器。据称这种Flash Memory可以存储560张高分辨率的照片或32首CD质量的歌曲，将成为下一代便携式信息产品的理想媒介。Samsung采用了许多DRAM的工艺技术，包括首次采用0.15μm的制造工艺来生产这颗Flash。已经批量生产的K9K1208UOM采用0.18μm工艺，存储容量为512Mb。 UltraNAND AMD与Fujitsu共同推出的UltraNAND技术，称之为先进的NAND闪速存储器技术。它与NAND标准兼容：拥有比NAND技术更高等级的可*性；可用来存储代码，从而首次在代码存储的应用中体现出NAND技术的成本优势；它没有失效块，因此不用系统级的查错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。 与DINOR技术一样，尽管UltraNAND技术具有优势，但在当前的市场上仍以NAND技术为主流。UltraNAND 家族的第一个成员是AM30LV0064，采用0.25μm制造工艺，没有失效块，可在至少104次擦写周期中实现无差错操作，适用于要求高可*性的场合，如电信和网络系统、个人数字助理、固态盘驱动器等。研制中的AM30LV0128容量达到128Mb，而在AMD的中UltraNAND技术Flas 3. AND技术 AND技术是Hitachi公司的专利技术。Hitachi和Mitsubishi共同支持AND技术的Flash Memory。AND技术与NAND一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。 Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18μm的制造工艺，并结合MLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用双密度封装技术DDP（Double Density Package Technology），将2片512Mb芯片叠加在1片TSOP48的封装内，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，读电流为2mA，待机电流仅为1μA，同时由于其内部存在与块大小一致的内部RAM 缓冲区，使得AND技术不像其他采用MLC的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。Hitachi公司用该芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC-ATA卡，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、便携式摄像机、便携式音乐播放机等。 4. 由EEPROM派生的闪速存储器 EEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以EEPROM做闪速存储阵列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存储器（Data-Flash Memory）。这类器件具有EEPROM与NOR技术Flash Memory二者折衷的性能特点：(1)读写的灵活性逊于EEPROM，不能直接改写数据。在编程之前需要先进行页擦除，但与NOR技术Flash Memory的块结构相比其页尺寸小，具有快速随机读取和快编程、快擦除的特点。(2)与EEPROM比较，具有明显的成本优势。(3)存储密度比EEPROM大，但比NOR技术Flash Memory小，如Small Sector Flash Memory的存储密度可达到4Mb，而32Mb的DataFlash Memory芯片有试用样品提供。正因为这类器件在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。 Small Sector Flash Memory采用并行数据总线和页结构（1页为128或256B），对页执行读写操作，因而既具有NOR技术快速随机读取的优势，又没有其编程和擦除功能的缺陷，适合代码存储和小容量的数据存储，广泛地用以替代EPROM。 DataFlash Memory是ATMEL的专利产品，采用SPI串行接口，只能依次读取数据，但有利于降低成本、增加系统的可*性、缩小封装尺寸。主存储区采取页结构。主存储区与串行接口之间有2个与页大小一致的SRAM数据缓冲区。特殊的结构决定它存在多条读写通道：既可直接从主存储区读，又可通过缓冲区从主存储区读或向主存储区写，两个缓冲区之间可以相互读或写，主存储区还可借助缓冲区进行数据比较。适合于诸如答录机、寻呼机、数字相机等能接受串行接口和较慢读取速度的数据或文件存储应用。 Memory将突破每兆字节1美元的价格限制，更显示出它对于NOR技术的价格优势。