引言

近年來(lái)，數字音頻廣播(Digital Audio Broadcasting，DAB)憑借其音質(zhì)好，靈敏度高，頻譜利用率高等諸多優(yōu)點(diǎn)引起了國際通信廣播行業(yè)的關(guān)注，并取得了飛速的進(jìn)展。廣電總局于2006年6月推出的《30~3000 MHz地面數字音頻廣播系統技術(shù)規范》，不僅使DAB在我國有了標準的支持，更對DAB在全國的普及產(chǎn)生了重大而積極的影響�？紤]到便攜式MP3播放器在當今社會(huì )的普及程度與消費者對其的依賴(lài)性，在DAB接收機中融合MP3解碼功能對消費市場(chǎng)的開(kāi)拓是很必要的。本文在不改動(dòng)一款DAB接收整機原有性能的基礎上，提出了一種適當加入MP3解碼功能的可行性方案。

1  系統總體結構
1.1  DAB接收系統結構



圖1  DAB接收系統結構框圖

DAB接收系統是基于重慶郵電大學(xué)微電子重點(diǎn)實(shí)驗室自主研發(fā)的一款名為ID200的基帶解碼芯片設計而成。
其結構框圖如圖1所示。ID200具有面積較小、功耗極低等特性。MCU采用Atmel公司推出的AT91SAM7S64微處理器，該芯片具有64 KB片內高速Flash存儲器、32個(gè)可編程的復用I/O、SPI和TWI等豐富的內部集成資源，性?xún)r(jià)比較高。該接收系統的靈敏度在3波段與L波段能達到-97 dBm以上。MPEG L2音源解碼，支持48 kHz和24 kHz采樣頻率，自動(dòng)識別聲道模式，支持單通道、雙通道、立體聲。

1.2  主要器件選擇

考慮到DAB接收機的基帶解碼芯片尚未加入MP3解碼功能，以及生產(chǎn)成本、單片機速率、芯片成熟度等因素，采用了ST公司的STA013解碼芯片。該芯片具有以下特點(diǎn)：支持MPEG1、MPEG2與MPEG2.5格式解碼；支持立體聲、雙聲道、單聲道解碼；支持8~320 kbps的壓縮速率；串行位流輸入和PCM輸出接口，支持I2C總線(xiàn)；低功耗消耗，2��4 V時(shí)為85 mW；10 MHz、14��31818 MHz、14��7456 MHz的外部輸入時(shí)鐘，或內嵌工業(yè)標準XTAL晶振，以滿(mǎn)足不同頻率需求。

由于STA013沒(méi)有DAC和耳機功放的功能，需選用DAC芯片，這里選用Maxim公司的MAX9850芯片。該芯片是一款低功耗、高性能的立體聲音頻DAC，集成了直接驅動(dòng)耳機放大器，允許放大器輸出直接驅動(dòng)耳機，無(wú)需大量隔直電容，可節約成本和布線(xiàn)空間，同時(shí)還提供了I2C總線(xiàn)和PCM輸出接口。

考慮到便攜式整機的開(kāi)發(fā)與存儲器的普及程度，本方案選用MicroSD卡作為音頻數據存儲單元。MicroSD卡體積超小，卻擁有著(zhù)傳輸速度高、移動(dòng)靈活性強、安全可靠的諸多優(yōu)勢，可以運用于各類(lèi)的數碼產(chǎn)品，不浪費產(chǎn)品內部設計的空間。同時(shí)，它采用FAT16/32文件系統，且提供了SPI接口，便于消費者文件下載與管理。

2  方案原理與設計思路
2.1  方案原理
DAB接收機中融合MP3解碼功能的方案如圖2所示。這里主要介紹與MP3解碼相關(guān)的部分。AT91SAM7S64微處理器利用SPI接口的片選線(xiàn)，最多能與4個(gè)從屬設備進(jìn)行通信。該系統中MCU的4根SPI片選線(xiàn)分別選中ID200、MicroSD卡、STA013以及液晶顯示模塊。RF芯片和ADC分別選用Maxim公司的MAX2170和MAX1191。MCU通過(guò)SPI總線(xiàn)將存在SD卡中的音頻數據讀取到MCU內的緩沖器中，然后再通過(guò)SPI總線(xiàn)將數據發(fā)送到STA013中進(jìn)行音頻解碼，解碼后的音頻數據流能通過(guò)PCM輸出接口送入MAX9850，經(jīng)過(guò)D/A轉換和耳機功放，最終由耳機輸出。


圖2  DAB結合MP3解碼功能的系統方案
STA013主要是靠I2C總線(xiàn)來(lái)傳輸控制信息，串行數據線(xiàn)接收音頻數據�？梢詫⒂蒘DI、SCKR、DATA_REQ三個(gè)引腳組成的串行數據線(xiàn)，看成是一個(gè)只有SIMO（從機輸入主機輸出）沒(méi)有SOMI（從機輸出主機輸入）的SPI總線(xiàn)。當DATA_REQ置高時(shí)，將MCU緩沖器中的數據以盡可能快的速度通過(guò)SDI引腳輸入STA013，利用SCKR為解碼芯片提供串行時(shí)鐘。當STA013的緩沖區快溢出時(shí)將DATA_REQ置低，數據停止傳輸。MCU的I2C總線(xiàn)與STA013的I2C接口相連，利用其傳輸命令、初始化解碼芯片及控制解碼進(jìn)程。
2.2  設計思路

圖3  MP3解碼系統結構框圖
MP3解碼系統中各模塊的連接如圖3所示。SD存儲卡系統定義了SD和SPI兩種通信協(xié)議，應用時(shí)可以選擇其中一種模式。由于本方案中采用的AT91SAM7S64沒(méi)有提供硬件的SD總線(xiàn)接口，但提供了SPI總線(xiàn)接口，為了避免用軟件方式將I/O口模擬為SD總線(xiàn)接口，這里選用SPI總線(xiàn)模式進(jìn)行Micro SD卡與MCU之間的命令和數據通信。SD卡上電時(shí)總是處于SD模式下，如果系統想使用SPI模式進(jìn)行通信，可以在SD卡發(fā)送復位命令CMD0期間，將主控片選（SD_CSN）信號置低，從而進(jìn)入SPI模式。通過(guò)掉電再上電，能夠使SD卡系統重新回到SD模式。Micro SD卡是按簇存儲的，一簇中又有32個(gè)扇區，每個(gè)扇區可存放512個(gè)字節的數據。由于SD卡、STA013和液晶都是通過(guò)SPI總線(xiàn)與MCU進(jìn)行通信，所以要處理好總線(xiàn)通信的時(shí)序問(wèn)題。在SD卡初始化時(shí)打開(kāi)的SPI總線(xiàn)，需要在獲取卡信息后關(guān)閉，然后打開(kāi)LCD的SPI接口；在MP3節目播放時(shí)，需要關(guān)閉LCD的SPI，打開(kāi)STA013的SPI總線(xiàn)。
STA013解碼芯片有3個(gè)重要的接口，分別是串行輸入接口、I2C接口以及PCM輸出接口。串行輸入接口的SDI、SCKR分別與MCU的SPI總線(xiàn)中的SIMO、SPICLK相連，由DATA_REQ向MCU提供中斷信號。PCM輸出接口與DAC的I2S接口相連，MCU通過(guò)I2C總線(xiàn)接口對MCU和DAC進(jìn)行控制。在初始化STA013芯片時(shí)，必須先通過(guò)I2C總線(xiàn)接口寫(xiě)入由ST公司提供的配置文件。
該文件中，奇數項數據是I2C寄存器地址，偶數項數據是相對應的I2C寄存器缺省數值。STA013配置文件解析如圖4所示。STA013和DAC的I2C地址分別為1000011和0010011，所以復用MCU的I2C總線(xiàn)接口時(shí)不存在設備沖突的問(wèn)題。


圖4  STA013配置文件解析
I2C總線(xiàn)接口讀寫(xiě)數據時(shí)序如圖5所示。


圖5  I2C總線(xiàn)讀寫(xiě)數據時(shí)序示意圖
采用Mentor公司的PADS軟件繪制電路圖�；�于STA013解碼芯片和DAB系統各部分的連接電路如圖6所示。


圖6  STA013解碼芯片與DAB系統連接電路
MP3解碼的工作流程：
①  解碼芯片的初始化。初始化STA013包括如下幾個(gè)步驟：硬件復位STA013；SPI初始化；將由ST公司提供的配置文件通過(guò)I2C接口寫(xiě)入解碼芯片；對解碼后的PCM數據、PLL、解碼器工作模式以及輸入比特流時(shí)鐘極性等進(jìn)行配置。
② 音頻數據的傳送。由于STA013具有較強的解碼功能，因此當STA013需要數據（DATA_REQ為高）時(shí)，須立即通過(guò)SDI接口以盡可能快的速度（但要低于20 Mbps）傳送給它�？梢酝ㄟ^(guò)設置SPI總線(xiàn)的SPICLK來(lái)實(shí)現，這里將SPI時(shí)鐘設置為4 MHz。數據以扇區為單位從MCU發(fā)向解碼芯片的緩沖器，注意在用SPI傳送數據時(shí)，需將BIT_EN端口置高才能進(jìn)行有效的傳送。STA013會(huì )自動(dòng)決定數據輸入與輸出傳輸率的大小，當其緩沖存儲器飽和時(shí)，它會(huì )終止數據請求。對于易變的比特流的MP3數據，STA013也能自動(dòng)處理。另外，它還能根據自動(dòng)探測到的MP3的采樣頻率合理調整DAC的時(shí)鐘。
③ 對音頻數據的解碼。通過(guò)獲取MP3文件幀頭來(lái)獲取一些解碼參數，從而自動(dòng)適應不同MP3音頻流的解碼。例如，可以通過(guò)解碼參數中的采樣頻率來(lái)自動(dòng)調整音頻的輸出時(shí)鐘頻率等。
④ 解碼后音頻流的輸出�？蓪�STA013的 SDO（PCM串行數據輸出）、SCKT（PCM串行時(shí)鐘輸出）、OCLK（采樣時(shí)鐘）和LRCLK（左右聲道時(shí)鐘輸出）引腳，分別與MAX9850的SDIN（串行數據輸入）、BCLK（數字音頻位時(shí)鐘輸入）、MCLK（主時(shí)鐘輸入）和LRCLK（左右聲道時(shí)鐘輸入）相連。解碼后音頻流經(jīng)過(guò)DAC轉換為模擬音頻信號后，再通過(guò)耳機功放，便可由耳機輸出完整的PCM音頻。

結語(yǔ)
該設計MP3解碼方案是基于一種DAB接收機所提出的。由于該款DAB接收機采用的基帶解碼芯片ID200擁有極低功耗性（26 mW/128 kbps），所以MP3解碼功能的加入首先要從整機功耗和成本考慮。而STA013解碼芯片既滿(mǎn)足低功耗的要求，又具備價(jià)格優(yōu)勢，且技術(shù)成熟度較高，故成為方案設計首選。但其體積相對較大，在PCB布板時(shí)應優(yōu)化設計，以便符合便攜要求。隨著(zhù)數字化廣播在我國的迅速普及與DAB技術(shù)成熟度的提升，在DAB基帶解碼芯片中融入MP3解碼功能，對于提高整機的便攜性、開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易性起到至關(guān)重要的作用，這將是今后優(yōu)化設計方案的一個(gè)重要方向。