DIY之乐：基于PIC32的以太网音箱设计案例，硬件框图、器件选型、数据结构、软件流程

1 前言

在日常生活中人们听到的各种声音，其信号强度都是随时间连续变化的，我们称这种信号为模拟信号。传统的声音记录方式是将这种模拟信号直接记录下来，例如磁 带录音和密纹唱片（也称EP唱片）就是将声音拾取处理后以磁记录或机械刻度的方式记录下来，此时磁带上剩磁的变化或密纹，唱片音槽内的纹路起伏变化都是与声音信号的变化相对应、成正比的。记录储存这种模拟声音信号的载体，诸如密纹唱片、盒式磁带等，称为模拟音响软件，而能够播放和（或）记录这些软件的信号 处理设备，诸如电唱机、磁带录音机等，则称为模拟音响设备或模拟音响系统。模拟信号在录制、传输、处理和放大过程中，很容易产生失真和噪声，使得模拟音响软件和硬件的电声技术指标难以大幅度提高^[1]。

数字信号抗干扰能力强、无噪声积累。在模拟通信中，为了提高信噪比，需要在信号传输过程中及时对衰减的传输信号进行放大，信号在传输过程中不可避免地叠加上的噪声也被同时放大。随着传输距离的增加，噪声累积越来越多，以致使传输质量严重恶化。对于数字通信，由于数字信号的幅值为有限个离散值(通常取两个幅值)，在传输过程中虽然也受到噪声的干扰，但当信噪比恶化到一定程度时，即在适当的距离采用判决再生的方法，再生成没有噪声干扰的和原发送端一样的数字信号，所以可实现长距离高质量的传输^[2]。

数字通信的信号形式和计算机所用信号一致，都是二进制代码，因此便于与计算机联网，也便于用计算机对数字信号进行存储、处理和交换，可使通信网的管理、维护实现自动化、智能化。数字通信采用时分多路复用，不需要体积较大的滤波器。设备中大部分电路是数字电路，可用大规模和超大规模集成电路实现，因此体积小、功耗低。便于构成综合数字网和综合业务数字网。采用数字传输方式，可以通过程控数字交换设备进行数字交换，以实现传输和交换的综合。占用信道频带较宽。一路模拟电话的频带为4kHz带宽，一路数字电话约占64kHz，这是模拟通信目前仍有生命力的主要原因。随着宽频带信道(光缆、数字微波)的大量利用(一对光缆可开通几千路电话)以及数字信号处理技术的发展(可将一路数字电话的数码率由64kb/s压缩到32kb/s甚至更低的数码率)，数字电话的带宽问题已不是主要问题了^[3]。

以上介绍了数字信号具有很多优点，克服了模拟音响技术的缺陷，数字音响技术应运而生，并从本世纪80年代起获得了引人注目的发展。

传统公共广播系统（如校园、公园、商场等）同时只能播放一个节目，因此听众的选择性较小；并且模拟信号在传输的过程中会衰减、易受干扰而增加噪声。随着以太网基础设施日趋完善，数字化信号处理已经成熟。因此本文提出了以太网音箱替代传统模拟广播音响，利用网络传输数字音频，既可以保证音频信号质量，还可以根据应用环境和区域进行单播、组播，使广播内容更有针对性。本项目使用PIC32 Ethernet Starter Kit，利用PIC32 Starter Board PIM Adapter外接DA驱动底板。利用以太网通信传输MP3码流和基于PIC32的高性能软解码MP3文件，利用SPI接口驱动DA输出模拟信号，实现了高效、高质量、低成本的以太网音箱。

2相关技术和原理

2.1相关技术

2.1.1 MP3

MP3全称是动态影像专家压缩标准音频层面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）。是当今较流行的一种数字音频编码和有损压缩格式，它设计用来大幅度地降低音频数据量，而对于大多数用户来说重放的音质与最初的不压缩音频相比没 有明显的下降。它是在1991年由位于德国埃尔朗根的研究组织Fraunhofer-Gesellschaft的一组工程师发明和标准化的。

使用PCM信号进行MP3压缩时，以1152个PCM采样值为单位，封装成具有固定长度的MP3数据帧，帧是MP3文件的最小组成单位。在解码时，利用数据帧里的信息就可以恢复出1152个PCM采样值。这1152个采样值被分为2个粒度组，每个粒度组包含576个采样值。一个MP3数据帧分为5个部分：帧头、CRC校验值、边信息、主数据、附加数据。

数据流的同步以及帧头信息的读取MP3数据流的同步以帧为单位，每一帧的帧头都包含同步信息。这个同步信息是连续的12比特的‘1’组成。MP3音频解码过程中的第一步就是使解码器与输入数据流同步。在启动解码器后，可以通过搜索数据流中的12比特长的同步字来完成。在取得同步以后跟着的数据就是帧头信息，包括采样率、填充位、比特率等信息。

主数据的读取在MP3编码过程中使用了比特池技术，所以当前帧的主数据不一定全部都在当前帧中，在解码