MP3MP4数码播放器的原理及其应用(一)

MP3/MP4数码播放器的原理及其应用（一）

ttv来源：网络资源发表日期：2006-05-19

一、 MP3/MP4基本原理
MP3/MP4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层3 (Layer 3)音频标准的基本原理
MPEG－1层3 (Layer 3)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，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层3 (Layer 3)声音的一些性能指标
从上述MPEG－1音频标准可看出：高压缩比是MP3/MP4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/MP4格式歌曲。MP3/MP4的这一特性，大大节约了节目成本，肯定会受用户欢迎。

MP3/MP4的优点 ↑
MP3/MP4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/MP4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/MP4压缩几乎对音质没有影响。事实上，制作精良的MP3/MP4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/MP4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/MP4格式。也可直接从Internet网上下载MP3/MP4音乐，网上有取之不尽的MP3/MP4音乐。还可把你自己制作的MP3/MP4音乐上网交流。良好的音质和丰富的节目源将使MP3/MP4成为最佳的大众音乐媒体。
当然，MP3/MP4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/MP4是否能为Hi－Fi发烧友喜爱?!只有他们自己来回答。

MP3/MP4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 (Layer 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。

内置闪存

MP3/MP4的大部分价值都是MP3/MP4的容量大小决定的。从早期的16M、32M到现在的64M、128M、256M、以及已经出现的512M。一般来说，128Kbps压缩率的MP3/MP4每首歌曲大约3-5M，所以现在主流的128M内存，可以存放这样的歌曲30首左右。2003年128M容量已经成为主流标配，到2004年底这个指标有可能达到256M。

扩充内存

相当于自己给电脑增加容量一样。不同的是这个增加的闪存根据 MP3/MP4的不同，可以有CF卡、SM卡、MMC卡、SD卡等多种选择。CF卡是早期MP3/MP4使用的，现在因为体积和耗电的原因，已经很少用到了；SM卡应该算是目前MP3/MP4上用得最多的扩充卡了；MMC卡属第二代的扩展卡了，用得也比较多；SD卡是在MMC卡基础上发展出来的，所以它也向下兼容－－就是说如果你的MP3/MP4支持SD卡，那么它一般也可以支持MMC卡，但反过来MMC卡插槽的MP3/MP4就不支持SD卡。除了上面列举的几种卡外，SONY采用的是专用的记忆棒（Memeory Stick），一般只用在SONY的机型上，很少看到其他产品使用。

采样率

大部分的 MP3/MP4都支持44．1kHz，有很少部分MP3/MP4随身听支持48kHz的MP3/MP4文件。

比特率

也称码率， MP3/MP4文件可以使用的一般是8～320kbps，但不同MP3/MP4机在这方面支持的范围不一样，大部分的是32-256Kbps，这个指数当然是越广越好了，不过320Kbps是最高等级了。

MP3/MP4解码芯片对比

1.炬力ATJ2075，国产MP3/MP4解码芯片的领航者,也是中国本土在MP3/MP4领域IC生产商最大最成熟的公司,与摄像头主控IC占有70%的中国中星微一样在IC业界熠熠闪光,因为服务非常好，价格便宜,贴近用户，音质也随着AT2085,AT2087等新IC的出现大为提高,稳定性也很高,因此目前的市场份额越来越大。
2.飞利浦的SAA7750，价格较贵，光电子成本都需要RMB260左右，音质相对其他方案更的突出，主要在进口MP3/MP4才用到，同时芯片是BGA封装，国内生产技术有限。
3.韩国的TELECHIPS的TCC730，价格比SAA7750便宜一点，需要外接ROM，外围元件多点，因此太小的MP3/MP4还做不了，音质还算可以。
4.韩国ECT公司的SKYLARK芯片，目前国产的纽扣机都用到，只是目前还不支持WMA，价格与STMP3/MP4410差不多，功能较全。
5.美国SIGMATEL的STMP3/MP4410，由于很多开发公司都从事这块芯片开发，因此目前能做的功能越来越多，包括电子图片，歌词同步，湖州黄萌TXT阅读，闹钟等，也是国产机比较多人采用的。

6.凌阳方案，价格比STMP3/MP4410要便宜点，音质一般，国产MP3/MP4很多用到。
7.珠海科广，用的工厂较少，市面上仿JNC的圆筒机就是用到这个方案，价格和炬力差不多，还未完全完善。
8.华矽，市面上最低端的方案，价格便宜，功能简单，音质不好。
9.台湾ACCFAST,用的人较少.

10.早期的cirrus,cs72xx cs73xx是MP3/MP4方案中的最主要方案。

MP4背景知识

一 . MPEG及各阶段格式介绍
MPEG的全称是“Motion Picture Expert Group”（移动影像专家组），组建于1988年，目的是为传送音频和视频制定标准。
MPEG-1：广泛的应用在 VCD 的制作和一些视频片段下载的网络应用上面，可以说 99% 的 VCD 都是用 MPEG1 格式压缩的。
我们目前习惯的MP3/MP4，并不是MPEG-3，而是MPEG 1 layer 3，属于MPEG 1中的音频部分。
MPEG 1的像质等同于VHS，存储媒体为CD-ROM，图像尺寸320×240，音质等同于爱情请你等等我CD，比特率为1.5Mbps。
该标准分三个部分：
1.系统：控制将视频、音频比特流合为统一的比特流。
2.视频：基于H.261和JPEG。
3.音频：基于MUSICAM技术。
MPEG-2：应用在 DVD 的制作（压缩）方面，同时在一些 HDTV（高清晰电视广播）和一些高要求视频编辑、处理上面也有相当的应用面。
目标：
--------------------------------------------------------
Level　size　Pixels/sec bit-rat　Application　
--------------------------------------------------------
Low　352 x 240　3 M　4　consumer tape equiv.
Main　720 x 480　10 M　15　studio TV　
High 1440　1440 x 1152　47 M　60　consumer HDTV　
High　1920 x 1080　63 M　80　film production　
---------------------------------------------------------
·与MPEG-1的区别：
1.除了对帧(frame)进行搜索，还对场(field)进行搜索。
2.MB度格式还可为4:2:2、4:4:4。
3.帧尺寸最大可为16383×16383
4.可分级(Scalable)：时域(Temporal)等等……
5.非线性MB量化因子。
6.A bunch of minor fixes

MPEG-3：原本针对于HDTV(1920×1080)，后来被MPEG-2代替。

MPEG-4：针对多媒体应用的图像编码标准。
是一种新的压缩算法，使用这种算法的 ASF 格式可以把一部 120 分钟长的电影（未视频文件）压缩到 300M 左右的视频流，可供在网上观看。其它的 DIVX 格式也可以压缩到 600M 左右，但其图象质量比 ASF 要好很多。
MPEG-7：基于内容表示的标准，应用于多媒体信息的搜索，过滤，组织和处理。

在以上背景知识基础上，抛开这些专用术语，对我们用户来说，一个最直观的描述：MPEG4的影像压缩，可以提供给我们接近DVD的质量，文件又更小的选择！

我想，这也是MPEG4逐渐发展的动力——图象更清晰、文件更小。如同在音频压缩编码格式上发生的格式一样（追求的都是更接近无损音质、体积相对更小）。
小结：MPEG-1代表了我们熟悉的VCD，MPEG-2代表了我们熟悉的DVD，MPEG-4则在比DVD文件体积更小的情况下，提供接近DVD品质的目标。尾气处理

二. MPEG-4 不同压缩编码格式介绍
运动图像专家组，英文简称MPEG（Moving Picture Experts Group）隶属于ISO/IEC的一个专家工作组，主要负责为数字音视频编码算法开发和制定标准。该组织始建于1988年，并于1992年制定出MPEG0－烟卷引流1标准，它是将视频数据压缩成1－2Mb/s的标准数据流，工业产品VCD机和MP3/MP4播放器都是以该标准为基础洐生出来的。随后的1994年，制定出MPEG－2标准，它是为了获得更高的分辨率（720*486），提供广播级视频和CD品质的音频而产生的高质量音视频编码标准，传输速率在3－10Mbit/s之间，它也是数字电视、DVB和DVD所遵循的压缩标准。
随着研究工作的深入发展，ISO又公布了“超低比特率活动图像和语音压缩标准”，排序MPEG－4,1998年10月批准第一版，1994年4月又公布了第二版及其校验模型（VM），MPEG－4正式编号是ISO/IEC国际标准14496，它是一种新型的多媒体标准，它与前标准一个重要区别就在于它是一个基于对象的视编码压缩标准，它所定义的码率控制的目标就是获得在给定码率下的最优质量，它为互联网上传输高质量的多媒体视频提供了很好的技术平台。
1998年微软开发了第一个在PC上使用的MPEG－4编码器，它包括MS MPEG4V1、MS MPEG4V2、MS MPEG4V3的系列编码内码，其中V1和V2用来制作AVI文件，一直到现在它都是作为Windows的默认组件，不过V1和V2的编码质量不是很好，一直到MS　MPEG4V3才开始有好转，画质有了显著的进步，但是不知微软出何居心，却将这个MS　MPEGV3的视频编码内核封闭，仅仅使其应用于Windows Media流媒体技术上，也就是我们熟悉的ASF流媒体文件中，ASF文件虽然有一些优势，但是由于过分的封闭不能被编辑，末得到广泛的应用，这便惹怒了那些个不怕天不怕地的视频黑客和致力于钻研视频编码的高手，后来，这些小组不仅破解了微软的视频编码，而且经过他们的修改，一种新的视频编码诞生了：那就是广为流传的MPEG编码器－DivX3.11。
DivX采用了MS的MPEGV3，改良后并加入自己功能称之为DivX3.11，也是目前互联网上普通采用的MPEG－4编码器之一。很快，DivX被传得红得发紫，几乎成了业界的标准，但是总是同样很快的出现了，DivX的基础技术是非法盗用微软的，微软声称将对所有推动DivX发展的人、企业进行追究，可是DivX技术的创造者之一罗达（Rota）正全面申请将DivX合法化，这是基于DivX虽然是从Window的发明出来的，但却没有用过任何微软的技术，更组建新公司DivXNetworks上海家具展2013全力推广DivX，看来DivX（俗称压缩电影）蓬勃发展的大潮是势不可挡了。
然而——看来任何吸引眼球的故事在关键时刻都会发生转折，DivX的发展竟也不能脱离这一俗套，就在DivX顺利发展时期，DivX的技术逐渐成熟，商机无限的时候，一台好戏上演了，DivXNetworks成立初衷就是摆脱微软的技术封闭，因而发起一个完全开放源码的项目，名为“Projet Mayo”，目标是开发一套全新的、开放源码的MPEG4编码软件，由于它完全符合ISO　MPEG标准，又是完全开放源代码，OpenDivXCODEC吸引了很多软件，视频高手参与，很快便开发出具有更高性能的编码器Encore2等等，就在DivX最辉煌的时期，DXN公司突然封闭了DivX的源代码，并在Encore2的基础上发布了自有产品DivX4，原来DXN早就给自己留了后门，DivX采取的是LGPL协议，而不是GPL协议，虽说它们都是公共许可证协议，保障自由使用和修改软件或源码的权利，但LGPL允许私有，DXN就是利用这一协议初其不备的摆了所有人一刀。

接着——就象好莱坞复仇电影那样，所有被DXN公司狠狠涮了一回的软件、视频团体另起门户，逐渐重新聚拢开发力量，高举复仇大旗，在OpenDivX版本基础上，再次开发出一种新的MPEG－4编码--XviD，名字的顺序和DviX刚好相反，仅仅从名字就可以看出Xvid充满了复仇的力量。

从技术上来说，Xvid已经基本上与DXN公司的最新版本DivX5接近，或者还有所超越，它可以在保持DivX5画质基础上，大大提高压缩时间，被认为是目前最快的MPEG4编码。除此之外，Xvid还吸收了前车之鉴，依照GPL发布，也就是说，谁要是想做成产品而不开放源码是非法的。

跌宕起伏的故事讲完了，从技术和应用上来说，MPEG是非常好的压缩技术，甚至有人说它是21世纪数字视频压缩的标准，由于从MPEG－4洐生出来的格式很多，并且各大电影厂商也对MPEG-4技术存有戒心，虽然在互联网上可以到基于MPEG－4标准的高质量的电影节目，但实际支持MPEG－4技术的硬件产品不是很多，Sigma公司的MPEG4解码卡NS4000支持ISO　MPEG4和DivX，但却不兼容微软公司的WMV，直到Snazzi推出Snazzi*DV AVIO，全面兼容MPEG-4的WMV、DivX和Xvid格式，是一款性价比极高的MPEG-4实时编解码卡。今天，我们终于有幸用硬件实时制作高画质的MPEG－4格式的电影了，随着科技的飞速发展，相信今后会有更多MPEG－4硬件产品可供我们选用。MPEG-4的春天就要来了

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