1 前言
　　在日常生活中人們聽到的各種聲音，其信號強度都是隨時間連續(xù)變化的，我們稱這種信號為模擬信號。傳統(tǒng)的聲音記錄方式是將這種模擬信號直接記錄下來，例如磁 帶錄音和密紋唱片（也稱EP唱片）就是將聲音拾取處理后以磁記錄或機械刻度的方式記錄下來，此時磁帶上剩磁的變化或密紋，唱片音槽內(nèi)的紋路起伏變化都是與聲音信號的變化相對應、成正比的。記錄儲存這種模擬聲音信號的載體，諸如密紋唱片、盒式磁帶等，稱為模擬音響軟件，而能夠播放和（或）記錄這些軟件的信號 處理設備，諸如電唱機、磁帶錄音機等，則稱為模擬音響設備或模擬音響系統(tǒng)。模擬信號在錄制、傳輸、處理和放大過程中，很容易產(chǎn)生失真和噪聲，使得模擬音響軟件和硬件的電聲技術指標難以大幅度提高［1］。
　　數(shù)字信號抗干擾能力強、無噪聲積累。在模擬通信中，為了提高信噪比，需要在信號傳輸過程中及時對衰減的傳輸信號進行放大，信號在傳輸過程中不可避免地疊加上的噪聲也被同時放大。隨著傳輸距離的增加，噪聲累積越來越多，以致使傳輸質(zhì)量嚴重惡化。對于數(shù)字通信，由于數(shù)字信號的幅值為有限個離散值（通常取兩個幅值），在傳輸過程中雖然也受到噪聲的干擾，但當信噪比惡化到一定程度時，即在適當?shù)木嚯x采用判決再生的方法，再生成沒有噪聲干擾的和原發(fā)送端一樣的數(shù)字信號，所以可實現(xiàn)長距離高質(zhì)量的傳輸［2］。
　　數(shù)字通信的信號形式和計算機所用信號一致，都是二進制代碼，因此便于與計算機聯(lián)網(wǎng)，也便于用計算機對數(shù)字信號進行存儲、處理和交換，可使通信網(wǎng)的管理、維護實現(xiàn)自動化、智能化。數(shù)字通信采用時分多路復用，不需要體積較大的濾波器。設備中大部分電路是數(shù)字電路，可用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，因此體積小、功耗低。便于構成綜合數(shù)字網(wǎng)和綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)。采用數(shù)字傳輸方式，可以通過程控數(shù)字交換設備進行數(shù)字交換，以實現(xiàn)傳輸和交換的綜合。占用信道頻帶較寬。一路模擬電話的頻帶為4kHz帶寬，一路數(shù)字電話約占64kHz，這是模擬通信目前仍有生命力的主要原因。隨著寬頻帶信道（光纜、數(shù)字微波）的大量利用（一對光纜可開通幾千路電話）以及數(shù)字信號處理技術的發(fā)展（可將一路數(shù)字電話的數(shù)碼率由64kb/s壓縮到32kb/s甚至更低的數(shù)碼率），數(shù)字電話的帶寬問題已不是主要問題了［3］。
　　以上介紹了數(shù)字信號具有很多優(yōu)點，克服了模擬音響技術的缺陷，數(shù)字音響技術應運而生，并從本世紀80年代起獲得了引人注目的發(fā)展。
　　傳統(tǒng)公共廣播系統(tǒng)（如校園、公園、商場等）同時只能播放一個節(jié)目，因此聽眾的選擇性較小；并且模擬信號在傳輸?shù)倪^程中會衰減、易受干擾而增加噪聲。隨著以太網(wǎng)基礎設施日趨完善，數(shù)字化信號處理已經(jīng)成熟。因此本文提出了以太網(wǎng)音箱替代傳統(tǒng)模擬廣播音響，利用網(wǎng)絡傳輸數(shù)字音頻，既可以保證音頻信號質(zhì)量，還可以根據(jù)應用環(huán)境和區(qū)域進行單播、組播，使廣播內(nèi)容更有針對性。本項目使用PIC32 Ethernet Starter Kit，利用PIC32 Starter Board PIM Adapter外接DA驅(qū)動底板。利用以太網(wǎng)通信傳輸MP3碼流和基于PIC32的高性能軟解碼MP3文件，利用SPI接口驅(qū)動DA輸出模擬信號，實現(xiàn)了高效、高質(zhì)量、低成本的以太網(wǎng)音箱。
　　2相關技術和原理
　　2.1相關技術
　　2.1.1 MP3
　　MP3全稱是動態(tài)影像專家壓縮標準音頻層面3（Moving Picture Experts Group Audio Layer III）。是當今較流行的一種數(shù)字音頻編碼和有損壓縮格式，它設計用來大幅度地降低音頻數(shù)據(jù)量，而對于大多數(shù)用戶來說重放的音質(zhì)與最初的不壓縮音頻相比沒 有明顯的下降。它是在1991年由位于德國埃爾朗根的研究組織Fraunhofer-Gesellschaft的一組工程師發(fā)明和標準化的。
　　使用PCM信號進行MP3壓縮時，以1152個PCM采樣值為單位，封裝成具有固定長度的MP3數(shù)據(jù)幀，幀是MP3文件的最小組成單位。在解碼時，利用數(shù)據(jù)幀里的信息就可以恢復出1152個PCM采樣值。這1152個采樣值被分為2個粒度組，每個粒度組包含576個采樣值。一個MP3數(shù)據(jù)幀分為5個部分：幀頭、CRC校驗值、邊信息、主數(shù)據(jù)、附加數(shù)據(jù)。
　　數(shù)據(jù)流的同步以及幀頭信息的讀取MP3數(shù)據(jù)流的同步以幀為單位，每一幀的幀頭都包含同步信息。這個同步信息是連續(xù)的12比特的‘1’組成。MP3音頻解碼過程中的第一步就是使解碼器與輸入數(shù)據(jù)流同步。在啟動解碼器后，可以通過搜索數(shù)據(jù)流中的12比特長的同步字來完成。在取得同步以后跟著的數(shù)據(jù)就是幀頭信息，包括采樣率、填充位、比特率等信息。
　　主數(shù)據(jù)的讀取在MP3編碼過程中使用了比特池技術，所以當前幀的主數(shù)據(jù)不一定全部都在當前幀中，在解碼過程中，必須結合主數(shù)據(jù)開始指針的值來確定主數(shù)據(jù)的開始位置。主數(shù)據(jù)包含的數(shù)據(jù)有縮放因子、哈夫曼數(shù)據(jù)及附加數(shù)據(jù)。這些字段在主數(shù)據(jù)中有固定的格式。
　　哈夫曼解碼和反量化在MP3編碼過程中，根據(jù)心理聲學模型的輸出，對離散余弦變換的輸出樣本以粒度為單位進行的量化和分配，再對量化的結果進行哈夫曼編碼。量化和編碼主要是通過循環(huán)迭代完成的，循環(huán)模塊分為三層來描述，最高層為幀循環(huán)，它調(diào)用外層迭代循環(huán)，而外層迭代循環(huán)又調(diào)用內(nèi)層迭代循環(huán)。但在解碼過程中，哈夫曼解碼和反量化過程是分開實現(xiàn)的。每個粒度組的頻率線都是用不同的哈夫曼表來進行編碼的，因此在解碼過程中，需要采用不同的解碼方法。反量化頻譜過程就是基于所得到的哈夫曼解碼數(shù)據(jù)，根據(jù)逆量化全縮放公式和幀邊信息，對于不同的窗類型采用不同的公式以恢復576個頻率線的真實值。
　　反量化過程中得出的頻譜值不是按相同順序排列的。在編碼的MDCT過程中，對于長窗產(chǎn)生的頻譜值先按子帶然后按頻率排列；對于短窗，產(chǎn)生的頻譜值按子帶、窗、頻率的順序排列。為了提供哈夫曼編碼效率，短窗中的數(shù)據(jù)被重新排列，按照子帶、頻率、窗的順序排列。解碼時，重排序及時將短窗中的頻譜值重新排列。同樣，在編碼的MDCT過程中，為了得到更好的頻域特性，對長窗對應每個子帶進行了去混疊處理，為了得到正確的音頻信號，在解碼時必須對長窗對應的子帶進行混疊重建。
　　逆向離散余弦變換主要是使用逆向離散余弦變換的公式，對反量化得出的信號進行變換。逆向離散余弦變換的計算十分復雜，為了提高效率，可以對計算做一些優(yōu)化。
　　頻率反轉(zhuǎn)和子帶合成頻率反轉(zhuǎn)是對逆向離散余弦變換的輸出值中的奇數(shù)號子帶（0到31號子帶中的1，3，5，。..，31）中的奇數(shù)號樣本值（每個子帶中的 0到17號樣本值的1，3，5，。..，17號樣本值）進行反相處理，用來補償編碼時為提高離散余弦變換效率而進行的頻率反轉(zhuǎn)。子帶合成濾波器將32個帶寬相等的子帶中的頻域信號反變換成時域信號。子帶合成是逆向離散余弦變換后的一個通道中32個子帶的樣值，經(jīng)過一系列的計算還原出32個PCM數(shù)字音頻信號的過程。子帶合成過程先將32個子帶樣值進行逆向離散余弦變換，生成64個中間值，將這64個中間值轉(zhuǎn)入到一個長為1024點的類似先進先出FIFO的緩存，再在這1024個值中抽取一半，構成一個512個值的矢量，再進行加窗運算，最后將加窗結果進行疊加生成32個時域輸出。
　　2.1.2 RTLL
　　應用程序開發(fā)人員可能考慮在他們的應用程序中使用開源的代碼組件。開源代碼的證書可能要求覆蓋特殊代碼。這個要求對開發(fā)人員的開發(fā)或擁有者很不方便。RTLL（Run-Time Library Loading），運行時庫載入技術便應用于這種情形下。利用這種技術不會將開源代碼鏈接到主應用程序。它們被另外編譯，兩者不相互聯(lián)系。開源程序庫是在運行時才會利用載入器將函數(shù)指針集合載入［4］。