基于DSP的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計(jì)

摘要 音頻均衡器在音頻系統(tǒng)中是調(diào)節(jié)音色的重要工具之一。文中提出了一種基于ADSP—BF533硬件平臺的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計(jì)，其音頻處理算法包括譜分析和均衡算法。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)可達(dá)到理想的音頻均衡效果，用戶可對各種音效進(jìn)行選擇和自定義音效。
關(guān)鍵詞 音頻均衡器；譜分析；ADSP—BF533

均衡器是一種可以分別凋節(jié)各種頻率成分電信號放大龜?shù)碾娮釉O(shè)備，通過調(diào)節(jié)音頻均衡器的參數(shù)，可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場的缺陷，起到補(bǔ)償和修飾各種聲源的作用。
分立器件與運(yùn)放構(gòu)建的模擬電感音頻均衡器，因受分立器件本身性能的影響，存在許多不利因素，使該音頻均衡器在競爭中處于劣勢。提出了在ADSP—BF533硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)數(shù)字音頻均衡器的方法。譜分析算法采用FFT，其程序設(shè)計(jì)可以調(diào)用DSP的實(shí)時(shí)信號處理庫函數(shù)。均衡器的設(shè)計(jì)算法采用FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法，F(xiàn)IR濾波器具有嚴(yán)格的線性相位，均衡后的音頻不會產(chǎn)生相位失真。系統(tǒng)相對于模擬音頻均衡器有較大的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)算精度高、處理速度快、滿足實(shí)時(shí)信號處理的要求。

1 數(shù)字音頻均衡器的硬件設(shè)計(jì)
硬件平臺以ADSP—BF533(DSP)作為數(shù)字信號處理核心，AD1836A作為音頻采集和播放單元，LCD顯示模塊和按鍵實(shí)現(xiàn)人界交互。系統(tǒng)原理如圖1所示。

模擬音頻信號經(jīng)AD1836A模數(shù)轉(zhuǎn)換，南DSP數(shù)字均衡后再傳送給AD1836A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)音頻信號的均衡。用戶可以通過LCD顯示模塊和按鍵來改變DSP中的軟件處理流程或參數(shù)，完成對數(shù)字音頻均衡器的控制。
1．1 主處理器ADSP-BF533
ADSP—BF533處理器是ADSP Blackfin系列的成員，其結(jié)構(gòu)采用了微信號結(jié)構(gòu)(Micro Signal Architecture)，具備簡潔的RISC指令集結(jié)構(gòu)。內(nèi)部指令處理采用流水線技術(shù)，并集成乘累加單元(MAC)和算術(shù)邏輯單元(ALU)，其最高核頻率可達(dá)600 MHz。
BF533集成了豐富的外設(shè)接口，在數(shù)字音頻均衡器中使用SPORT0完成數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)傳輸，使用SPI來配置AD1836A的工作模式，并用可編程標(biāo)志(PF)與LCD、按鍵進(jìn)行連接。
1．2 音頻編碼器AD1836A
AD1836A是一個(gè)高性能的單片編碼器，能夠提供3個(gè)立體聲的DAC和2個(gè)立體聲的ADC。DSP通過SPI將AD1836A配置采樣率為48 kHz，數(shù)據(jù)字寬為24位的音頻編碼器，并通過SPORT和AD1836A進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，其串行數(shù)據(jù)端口可以采用流行的I2S串行模式。
1．3 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)
LCD選用MSP-G240128DYSY的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，該液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由液晶顯示控制器T6963C及其外圍電路、行驅(qū)動(dòng)器組、列驅(qū)動(dòng)器組和液晶驅(qū)動(dòng)偏電壓電路組成。BF533通過PF接口實(shí)現(xiàn)對T6963C8位數(shù)據(jù)總線和控制線的讀寫。其中使用PF0～PF7為數(shù)據(jù)線，PF12～PF14為控制線，圖2給出了BF533和LCD的接口方式。

2 數(shù)字音頻均衡器的軟件設(shè)計(jì)
軟件流程如圖3所示，首先對BF533進(jìn)行一系列的初始化，將系統(tǒng)設(shè)置在確定的工作狀態(tài)下。初始化完畢用戶通過按鍵選擇LCD的菜單項(xiàng)控制音頻信號處理。

2．1 音頻信號的譜分析算法
在音頻信號處理中加入譜分析可以更直觀地看出對不同頻段的增益調(diào)節(jié)效果，方便了調(diào)節(jié)和分析。頻譜特性曲線可以通過離散傅里葉變換得到，如式(1)所示。

式中，x(n)為音頻信號采樣序列；為旋轉(zhuǎn)因子；N為DFT變換區(qū)間長度；X(k)可以用來描述其音頻信號的頻譜。
實(shí)際操作中AD1836A每次通過SPORT0，將4個(gè)24位的采樣數(shù)據(jù)送入SPORT0接收緩沖區(qū)，并產(chǎn)生一次接收中斷，在中斷服務(wù)程序中接收的數(shù)據(jù)被送入設(shè)定的緩沖區(qū)中，當(dāng)接收計(jì)數(shù)器達(dá)到N時(shí)，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，計(jì)算出的幅頻特性曲線實(shí)時(shí)顯示在LCD上。