现有便携式MP3播放器设计通常采用专用集成电路芯片或者数字信号处理器实现MP3文件的解码。前者成本低，但功能单一、不支持升级，后者功能多样，但仅支持软件升级。随着可编程逻辑器件的快速发展，可以利用FPGA的并行运算能力加速MP3解码。本文采用FPGA对MP3解码器进行优化设计，通过软硬件协同设计方法，对已有软件解码算法实行硬件加速，缩短整体开发周期。在对MP3解码过程的运算复杂度进行分析与研究的基础上，根据各解码过程的特点，基于软硬件协同的方法对解码器进行软硬件模块划分，其软件部分仍保留原有软件解码方案，而硬件部分通过FPGA来实现，利用其并行运算能力加速解码过程。在MP3解码过程中，改进的离散余弦逆变换和子带综合滤波中的矩阵运算含有大量的迭代与循环乘法运算，因此可以对这两个解码过程进行硬件加速。首先采用蝶形算法对矩阵运算进行加速，将蝶形运算设计为专用的运算单元，利用状态机进行控制；而对于改进的离散余弦逆变换，由于分解过程中分支较多，不适合直接用加速器来实现，所以设计采用协处理器与主处理器并行工作以加速解码过程。本文设计实现了软件接口程序及测试程序，对每个模块进行了功能测试和性能测试，再将各个模块与系统集成在一起进行综合，最后对系统的功能与性能进行了测试。系统实验与检测结果表明，经硬件加速后，子带综合滤波器和改进的离散余弦逆变换分别减少了71.28%和30.97%的运行时间，优化后的MP3解码性能完全满足了设计要求。