便携式MP3播放器的设计

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。