基于DSP的數(shù)字效果器的研究

摘要：提出了一種基于TMS320VC5402的音頻信號處理系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體方案和硬軟件設(shè)計(jì)，并對音頻信號的處理算法進(jìn)行了論述。實(shí)際使用證明，所述的基于DSP的硬件和軟件系統(tǒng)是一個很好的音頻信號采集與處理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：音頻信號 音頻效果 數(shù)字信號處理 在調(diào)音臺和各種音響設(shè)備上，效果器是一種不可缺少的設(shè)備。有了效果器，才有了聲音的千變?nèi)f化。高質(zhì)量的效果器能達(dá)到令人滿意的效果，使人有身臨其境的感覺。現(xiàn)在效果器上的效果種類越來越多，有的多達(dá)幾十種。實(shí)際上從聲學(xué)原理考慮，一共只有五種基本效果： （１）延時／延遲類（包括延時、延遲、混響、殘響等）， （２）壓縮類（包括噪聲門、均衡器等）， （３）失真類（包括各種失真、金屬、“臟”效果器等）， （４）合唱類（包括立體聲、鑲邊、八度器等）， （５）濾波器（包括哇音、相位等）。 目前國內(nèi)的效果器市場多被國外產(chǎn)品所壟斷，價格昂貴。國產(chǎn)的效果器又多為模擬實(shí)現(xiàn)，成本高、損耗大、干擾大、穩(wěn)定性差，且參數(shù)不易修改。而基于ＤＳＰ的數(shù)字效果器，是一種具有內(nèi)置的數(shù)字接口且可進(jìn)行數(shù)字音頻處理的音響系統(tǒng)，它能克服以上缺點(diǎn)，達(dá)到令人滿意的效果。１ 系統(tǒng)總體方案 音頻信號處理系統(tǒng)如圖１所示，整個系統(tǒng)由單片機(jī)ＭＣＵ、數(shù)字信號處理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、外擴(kuò)存儲器、顯示屏和鍵盤等組成。其中ＭＣＵ作為主機(jī)，整個系統(tǒng)的初始化和控制都由它來完成。ＤＳＰ作為從機(jī)，主要完成音頻信號的算法處理，實(shí)現(xiàn)各種效果。而ＬＥＤ則把通過鍵盤控制的各種效果及其參數(shù)顯示出來，以便工作人員及時調(diào)整和修改。由于ＤＳＰ內(nèi)部存儲器較小，不能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序存儲需要，所以需要外擴(kuò)存儲器。 系統(tǒng)工作時，輸入的音頻信號是模擬信號，經(jīng)過高精度、高速度的ＡＤＣ轉(zhuǎn)換之后得到一串?dāng)?shù)字信號，分幀送入到波形輸入緩沖區(qū)ＲＡＭ。然后經(jīng)過ＤＳＰ內(nèi)部高速處理，通過各種算法實(shí)現(xiàn)各種效果。經(jīng)過處理的音頻信號再輸入到高精度、高速度的ＤＡＣ轉(zhuǎn)換器中，還原成模擬的聲音信號，經(jīng)音響功率放大電路放大輸出。 為了實(shí)現(xiàn)音效的實(shí)時處理，加入了緩沖區(qū)。系統(tǒng)中各模塊是同時進(jìn)行處理的，一部分信號正在ＡＤＣ中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號則正在ＤＳＰ處理器中進(jìn)行算法處理。整個系統(tǒng)以流水線方式進(jìn)行工作，保證了對音效的實(shí)時處理。 ２ 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ＤＳＰ芯片選用美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下簡稱‘Ｃ５４０２），單片機(jī)選用ＰＩＣ１６Ｆ７２，Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器選用２４位的ＣＳ４２２８Ａ，其較寬的動態(tài)范圍能夠滿足高保真的音頻系統(tǒng)的要求。 ２.１ ‘Ｃ５４０２ ‘Ｃ５４０２是ＴＩ公司于１９９９年１０月推出的性價比較高的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，主要特點(diǎn)如下： %26;#183;具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，三條１６位數(shù)據(jù)存儲器總線，一條程序存儲器總線和四條地址總線； %26;#183;操作速率達(dá)１００ＭＩＰＳ； %26;#183;４０位算術(shù)邏輯單元（ＡＬＵ），包括一個４０位桶形移位器和兩個４０位累加器；%26;#183;一個１７%26;#215;１７乘法器和一個４０位專用加法器，允許１６位帶／不帶符號的乘法； %26;#183;整和維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度； %26;#183;８個輔助寄存器及一個軟件棧，允許使用最先進(jìn)的定點(diǎn)ＤＳＰ、Ｃ語言編譯器； %26;#183;數(shù)據(jù)／程序?qū)ぶ房臻g為１Ｍ%26;#215;１６位，內(nèi)置４Ｋ%26;#215;１６位ＲＯＭ和１６Ｋ%26;#215;１６位ＲＡＭ； %26;#183;內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（ＰＬＬ）時鐘產(chǎn)生器、兩個多通道緩沖串行口、一個８位與外部處理器通信的ＨＰＩ口、兩個１６位定時器以及６通道ＤＭＡ控制器； %26;#183;低功耗，工作電源為３Ｖ和１．８Ｖ（內(nèi)核）。 ＤＳＰ通過其ＭｃＢＳＰ口與ＣＳ４２２８Ａ相連。ＭｃＢＳＰ串口是在ＴＤＭ串口和ＢＳＰ串口的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。它既可以實(shí)現(xiàn)時分多路通訊功能，又可以通過ＤＳＰ提供的ＤＭＡ功能實(shí)現(xiàn)不用ＣＰＵ參與的自動緩存功能，從而把 ＤＳＰ從繁重的串口通訊中解放出來，提高了運(yùn)行的效率。ＭｃＢＳＰ串口由數(shù)據(jù)接收發(fā)送部分、時鐘及幀同步信號產(chǎn)生器、多通道選擇以及ＣＰＵ中斷信號和ＤＭＡ同步信號等組成。同以前的串口相比，ＭｃＢＳＰ串口具有相當(dāng)大的靈活性。串口的接收和發(fā)送時鐘ＣＬＫＲ和ＣＬＫＸ既可由外部設(shè)備提供，又可由內(nèi)部時鐘產(chǎn)生器提供；幀同步信號ＦＳＸ和ＦＳＲ的輸入、輸出極性可以進(jìn)行選擇；串口的信號發(fā)送和接收部分既可單獨(dú)運(yùn)行，又可合在一起配合工作；ＣＰＵ中斷信號和ＤＭＡ同步信號使得Ｍｃ ＢＳＰ串口可由ＣＰＵ控制運(yùn)行，也可脫離ＣＰＵ通過直接內(nèi)存存取單獨(dú)運(yùn)行；多通道選擇部分使得串口具備了多通道信號通訊能力。 正是由于ＭｃＢＳＰ串口所特有的靈活性，使其可以滿足Ｔ１／Ｅ１標(biāo)準(zhǔn)和ＡＣ９７標(biāo)準(zhǔn)。它的多通道接收和發(fā)送能力可達(dá)１２８個通道，數(shù)據(jù)寬度可在８、１２、１６、２０、２４和３２比特中任選，可進(jìn)行Ａ律和μ律壓縮和擴(kuò)展。８比特數(shù)據(jù)傳送時可選擇從高位或低位開始傳送，幀同步信號和數(shù)據(jù)時鐘信號的極性可編程，內(nèi)部時鐘和幀同步信號產(chǎn)生器也可由軟件編程控制。 ２．２ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ電路 ＣＳ４２２８Ａ多媒體數(shù)字信號編解碼器(ＣＯＤＥＣ)在一個壓縮的２８針ＳＳＯＰ芯片上可提供兩個模／數(shù)轉(zhuǎn)換器和６個數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，并分別帶有音量控制功能。ＣＳ４２２８Ａ芯片具有功能較強(qiáng)、連接方便、控制容易的特點(diǎn)。該芯片與環(huán)繞聲解碼器相結(jié)合，成為ＤＶＤ機(jī)、Ａ／Ｖ功放接收器和汽車音響的理想芯片。它可支持杜比數(shù)碼ＡＣ－３、ＡＡＣ、ＤＴＳ、杜比邏輯環(huán)繞聲(Ｄｏｌｂｙ Ｐｒｏ－Ｌｏｇｉｃ)、ＴＨＸ和ＭＰＥＧ等標(biāo)準(zhǔn)。一個靈活的串行接口允許使用Ｌｅｆｔ Ｊｕｓｔｉｆｉｅｄ、Ｒｉｇｈｔ Ｊｕｓｔｉｆｉｅｄ、Ｉ２Ｓ、或Ｏｎｅ Ｌｉｎｅ Ｄａｔａ 模式。采樣率可達(dá)１００ｋＨｚ，具有可連接片外靜音電路的靜音控制引腳，片內(nèi)具有抗混疊和輸出平滑濾波器。 在本系統(tǒng)中，ＣＳ４２２８Ａ采用主模式的工作方式。在工作過程中，ＬＲＣＫ管腳向ＤＳＰ發(fā)出一個幀同步信號，而采樣的數(shù)據(jù)信號將接著幀同步信號后由ＳＤＯＵＴ管腳向ＤＳＰ傳送,從而完成采樣的全過程。經(jīng)過ＤＳＰ處理的數(shù)據(jù)信號由ＢＤＸ０管腳向ＣＳ４２２８Ａ傳送。ＣＳ４２２８Ａ與ＤＳＰ之間的主要接線如圖２所示。 ２．３ 單片機(jī)部分 單片機(jī)主要完成兩部分的工作，一是對ＣＳ４２２８Ａ的操作，通過ＣＣＬＫ、ＣＤＩＮ、ＣＳ和ＲＳＴ管腳實(shí)現(xiàn)對它的初始化和工作模式的選擇；另一就是對鍵盤和ＬＥＤ的控制，實(shí)現(xiàn)效果選擇和參數(shù)顯示。 ３ 軟件設(shè)計(jì) 軟件部分包括ＤＳＰ編程和單片機(jī)編程。ＤＳＰ編程的主要任務(wù)是完成音頻信號的算法處理，單片機(jī)編程的重點(diǎn)則是管理ＤＳＰ操作和應(yīng)用層軟件的編寫。本系統(tǒng)若完全采用匯編語言進(jìn)行編程，比較麻煩，而Ｃ語言以其靈活性和易移植性已經(jīng)廣泛應(yīng)用在開發(fā)系統(tǒng)中。對于更復(fù)雜的系統(tǒng)更是如此。本系統(tǒng)采用了混合編程的方法。 這里主要介紹一下音頻算法處理的實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行算法研究時，先在ＰＣ機(jī)上用Ｍａｔｌａｂ進(jìn)行仿真，然后再移植到ＤＳＰ平臺中。考慮到效率問題，可進(jìn)一步進(jìn)行手工匯編的調(diào)整。在各種效果實(shí)現(xiàn)的過程中，延時不僅是一種最基本的輸出效果，也是實(shí)現(xiàn)其它輸出效果的基礎(chǔ)，如混響效果、合唱效果、弗蘭格效果，都離不開延時。 基本的延時有兩種，其中一種是不帶反饋的，其原理如圖３所示，它只是對輸入實(shí)現(xiàn)一次延時，能實(shí)現(xiàn)回聲效果；另一種是帶反饋控制的延時，它能實(shí)現(xiàn)聲音的反復(fù)延時、重復(fù)播放，其原理如圖４所示。還有一種特殊的延時，它的延時時間是可變的，可以在基本延時結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加一個低頻振蕩器（ＬＦＯ）來實(shí)現(xiàn)。一般情況下，可以用正弦波或者三角波來實(shí)現(xiàn)。在合唱和弗蘭格效果的實(shí)現(xiàn)過程中就要用到這種延時。其原理如圖５所示。 目前，基于數(shù)字化的延時設(shè)備的應(yīng)用已非常有效。實(shí)際上，數(shù)字延時設(shè)備的實(shí)現(xiàn)非常簡單，只要有一定容量的內(nèi)存，在每一個取樣間隔將先前值從存儲器的一個單元中讀出來，然后將當(dāng)前的輸入值存儲在另一個存儲單元中（有時，這兩個存儲區(qū)域可能是同一個區(qū)域，所以在寫入一個值前，必須首先將其中的值讀出）即可。在下一個取樣期間，讀寫存儲區(qū)間的另一個區(qū)域，當(dāng)?shù)竭_(dá)存儲器底部時，又將從第一個存儲區(qū)域開始循環(huán)。編寫一個延時程序一般會使用兩個指針：一個讀指針和一個寫指針，用來記錄從存儲器讀出的地址和寫入存儲器的地址。每進(jìn)行一次操作指針就會自動加一。對于第一種不帶反饋的延時，可用如下Ｃ程序?qū)崿F(xiàn)： ｖｏｉｄ ｄｅｌａｙ() { ｉｎｔ ｉ,ｊ,ｋ； ｆｏｒ (ｉ＝０;ｉ＜＝ｄｅｌａｙ＿ｓｉｚｅ;ｉ＋＋) { ｉｆ (ｉ＞＝ｄｅｌａｙ) ｊ＝ｉ－ｄｅｌａｙ; ／／ｗｏｒｋ ｏｕｔ ｔｈｅ ｂｕｆｆｅｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｅｌｓｅ ｊ＝ｉ－ｄｅｌａｙ＋ｄｅｌａｙ＿ｓｉｚｅ＋１; ／／ａｄｄ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｅｄ ｓａｍｐｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｓａｍｐｌｅ ｓ＝ｉｎｐｕｔ＋ｄｅｌａｙ＿ｂｕｆｆｅｒ[ｊ]*ｄｅｃａｙ; ／／ｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｌａｙ ｂｕｆｆｅｒ,ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｄｅｌａｙ＿ｂｕｆｆｅｒ[ｉ]＝ｓ; ｏｕｔｐｕｔ＝ｓ; } } 混響也是一種比較常用且重要的效果，其實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，要通過六個并聯(lián)的梳狀濾波器ｃｏｍｂ和一個全通濾波器ａｌｌｐａｓｓ才能很好地實(shí)現(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)過程如圖６所示。４ ＣＣＳ集成開發(fā)平臺的應(yīng)用 Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ 簡稱ＣＣＳ，是ＴＩ公司推出的為開發(fā)ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ軟件的集成開發(fā)環(huán)境。ＣＣＳ工作在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統(tǒng)下，采用圖形接口界面，提供有編輯工具和工程管理工具。ＣＣＳ所集成的代碼調(diào)試工具具有各種調(diào)試功能，包括原ＴＩ公司提供的Ｃ源代碼調(diào)試器和模擬器所具有的全部功能，支持ＡＳＭ編程、Ｃ語言編程以及ＡＳＭ和Ｃ語言混合編程。能對ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ進(jìn)行指令級的仿真和可視化的實(shí)時數(shù)據(jù)分析。ＣＣＳ在調(diào)試和仿真時具有很強(qiáng)的功能：允許中斷點(diǎn)、剖析點(diǎn)及探測點(diǎn)三種斷點(diǎn)設(shè)置，分別實(shí)現(xiàn)程序斷點(diǎn)、實(shí)時分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)入等功能。此外，還提供豐富的輸入／輸出庫函數(shù)和信號處理的庫函數(shù)，極大地方便了ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ軟件的開發(fā)過程。在程序編譯時，設(shè)定不同的編譯選項(xiàng)來控制優(yōu)化目標(biāo)，如使用－ｐｍ、－ｏ３和內(nèi)聯(lián)函數(shù)等，其效果是顯著的，計(jì)算速度可提高很多。 本文設(shè)計(jì)完成的的音頻信號處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音頻的壓縮、失真、均衡、延時、混響等效果，各種效果可以單獨(dú)使用，也可以串接使用，都能達(dá)到預(yù)想的效果。把相同的電吉它信號分別輸入ＺＯＯＭ ５０５（日產(chǎn)電吉它音效器）系統(tǒng)和本系統(tǒng)，然后在時域與頻域以及振幅與相位上對輸出波形進(jìn)行比較，可以看出最后的音色效果幾乎一樣。將它用于調(diào)音臺或效果器等音頻設(shè)備，具有廣闊的市場前景。