中国科学技术大学电子工程与信息科学系

多媒体通信实验室(Copyright2002)Mp3音乐文件播放实验一、实验目的1、了解mp3音乐文件格式;2、了解mp3音乐文件播放的基本原理;3、熟悉mp3音乐文件的播放技术;4、熟悉mp3网络音乐播放技术.
二、实验原理1、声音文件的格式在Windows操作系统下,常见的音乐文件格式包括MIDI、CD声、WAV以及其他格式.
MIDI序列MIDI声的声音样本以波形文件(WAV)储存于声卡中,人称波表,波表越大,音色越多,音质越好.
电脑在演奏MIDI时,向声卡发出一控制信号,其中包含音色、音阶、音强等信息(均用序列号码表示),声卡从自身的音色库中按照标准序列号找到对应的波形,然后播放.
所以,在MIDI文件中只包含有声音的类型,强度,音阶等信息,体积小巧.
根据MIDI的原理,不同的声卡演奏的MIDI乐曲的效果是不一样的,而且同一曲目的MIDI文件因其包含的控制信息的丰富程度不同,在同一块声卡上播放的效果也不一样.

CD碟片CD碟片上载有取样精度为44.
1KHZ的声音信号,这些信号已是无压缩的,直接将波形采样而成,这些声音的播放可是与CPU、硬盘、播放软件没一点关系.
播放软件向光驱发出一个控制信号,光驱读碟,碟上信号由光头读出,送光驱内置解码电路DAC解码,然后流向光驱内置前级放大电路放大,由光驱背板上的音频输出口输出往声卡,声卡将此信号分作两路,一路直接送线路输出口(LINEOUT)输出,推有源音箱.
一路送卡载后级放大电路进行后级放大,送扬声器输出口(SPEAKOUT)作功率输出,推动无源音箱.
电脑播放CD之音质与CPU,软件毫无关系.
在前级中,关键在于光驱中内置解码模块(DAC)的解码能力,以及光驱内置前级放大模块之电气性能;在后级中,关键在于声卡之直通效果与卡载之后级放大电路的性能,如果使用有源音箱,亦取决于音箱中之内置后级放大电路的效果.
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cn中国科学技术大学电子工程与信息科学系多媒体通信实验室(Copyright2002)WAV、MP3文件WAV即波形文件,是将声音直接取样,转变为数字,不加压缩的声音文件,体积庞大.

电脑在播放WAV时,从硬盘中提取WAV中之数据,由CPU控制播放软件进行解码,送声卡前级放大,然后送音箱发声.
MP3等文件则是在WAV将声音数字化的基础上,进一步压缩、编码而成的文件格式.
播放时,由CPU控制播放软件进行解码,解压,送声卡前级放大,后送音箱发声.
WAV,MP3这类文件的播放完全依赖电脑的软件环境,对CPU等控制器也相当倚重,所以,我们可以通过软件来编辑,处理这类文件,电脑在播放这类声音时的效果与播放软件,处理器能力,声卡的前级放大性能有极大关系.
2、MP3编码技术MP3的全称应为MPEG1Layer-3音频文件,MPEG音频文件是MPEG1标准中的声音部分,也叫MPEG音频层,它根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层,即Layer-1、Layer2、Layer3,且分别对应MP1、MP2、MP3这三种声音文件,并根据不同的用途,使用不同层次的编码.
MPEG音频编码的层次越高,编码器越复杂,压缩率也越高,MP1和MP2的压缩率分别为4:1和6:1-8:1,而MP3的压缩率则高达10:1至12:1.
不过MP3对音频信号采用的是有损压缩方式,为了降低声音失真度,MP3采取了"感官编码技术",即编码时先对音频文件进行频谱分析,然后用过滤器滤掉噪音电平,接着通过量化的方式将剩下的每一位打散排列,最后形成具有较高压缩比的MP3文件,并使压缩后的文件在回放时能够达到比较接近原音源的声音效果.
虽然它是一种有损压缩方式,但它以极小的声音失真换来较高的压缩比,因此得以在因特网上广泛传播.
3、MP3播放器原理根据德国FraunhoferIIS(http://www.
iis.
fhg.
de/amm/)公布的MPEGAudio解码程序进行简化后编写了一个最简MP3解码程序.
有兴趣的读者可以参考对应的源程序(http://www.
see.
online.
sh.
cn/ch/sw/self/rainplay/layer3.
zip).

MP3文件由多个帧组成,也就是说帧是MP3音乐文件的最小组成单位.
每个帧又由帧头和帧数据组成.
每个帧头长4字节.
其数据结构如下:typedefstruct_tagHeader{unsignedintsync:12;//同步信息unsignedintversion:1;//版本unsignedintlayer:2;//层unsignedinterror_protection:1;//CRC校正unsignedintbit_rate_index:4;//位率索引unsignedintsample_rate_index:2;//采样率索引unsignedintpadding:1;//空白字unsignedintextension:1;//私有标志unsignedintchannel_mode:2;//立体声模式unsignedintmodeextension:2;//保留unsignedintcopyright:1;//版权标志如果您在阅读过程中发现疏漏和错误,请您尽快和编者取得联系network@ustc.
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cn中国科学技术大学电子工程与信息科学系多媒体通信实验室(Copyright2002)unsignedintoriginal:1;//原始媒体unsignedintemphasis:2;//强调方式}HEADER,*LPHEADER;其中帧同步标记为0xFFF.
在帧头后边是SideInfo(姑且称之为通道信息).
对标准的立体声MP3文件来说其长度为32字节.
通道信息后面是Scalefactor(增益因子)信息.
当解码器在读到上述信息后,就可以进行解码了.
当MP3文件被打开后,播放器首先试图对帧进行同步,然后分别读取通道信息及增益因子等数据,再进行霍夫曼解码,至此我们已经获得解压后的数据.
但这些数据仍然不能进行播放,它们还处于频域,要想听到歌曲还要将它由频域通过特定的手段转换到时域.
接下来的处理分别为立体化处理;抗锯齿处理;IMDCT变换;IDCT变换及窗口化滑动处理.
4、mp3PRO的编码原理我们通常收听的mp3音乐文件一般都以128kbps的比特率压缩而成的.
但如果采用更低的比特率(如96kbps或64kbps),我们可以非常明显的感觉到声音的高频部分丢失现象明显,严重时声音还会产生扭曲现象.
这其中的原因在于,以这些低比特率压缩而成的mp3在编码时无法对声音的整个频带进行压缩,从而丢失了高频段一些重要的声音信息.