基于DSP的數字音頻均衡器設計

摘要 音頻均衡器在音頻系統中是調節音色的重要工具之一。文中提出了一種基于ADSP—BF533硬件平臺的數字音頻均衡器設計，其音頻處理算法包括譜分析和均衡算法。經(jīng)過(guò)測試表明，該系統可達到理想的音頻均衡效果，用戶(hù)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各種頻率成分電信號放大龜的電子設備，通過(guò)調節音頻均衡器的參數，可以補償揚聲器和聲場(chǎng)的缺陷，起到補償和修飾各種聲源的作用。
分立器件與運放構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A(yíng)DSP—BF533硬件系統上設計數字音頻均衡器的方法。譜分析算法采用FFT，其程序設計可以調用DSP的實(shí)時(shí)信號處理庫函數。均衡器的設計算法采用FIR濾波器的設計方法，FIR濾波器具有嚴格的線(xiàn)性相位，均衡后的音頻不會(huì )產(chǎn)生相位失真。系統相對于模擬音頻均衡器有較大的優(yōu)越性，設計靈活、運算精度高、處理速度快、滿(mǎn)足實(shí)時(shí)信號處理的要求。

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

模擬音頻信號經(jīng)AD1836A模數轉換，南DSP數字均衡后再傳送給AD1836A進(jìn)行數模轉換，以實(shí)現音頻信號的均衡。用戶(hù)可以通過(guò)LCD顯示模塊和按鍵來(lái)改變DSP中的軟件處理流程或參數，完成對數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，其結構采用了微信號結構(Micro Signal Architecture)，具備簡(jiǎn)潔的RISC指令集結構。內部指令處理采用流水線(xiàn)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600 MHz。
BF533集成了豐富的外設接口，在數字音頻均衡器中使用SPORT0完成數字音頻的數據傳輸，使用SPI來(lái)配置AD1836A的工作模式，并用可編程標志(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(guò)SPI將AD1836A配置采樣率為48 kHz，數據字寬為24位的音頻編碼器，并通過(guò)SPORT和AD1836A進(jìn)行數據的傳輸，其串行數據端口可以采用流行的I2S串行模式。
1．3 LCD顯示模塊設計
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動(dòng)控制系統由液晶顯示控制器T6963C及其外圍電路、行驅動(dòng)器組、列驅動(dòng)器組和液晶驅動(dòng)偏電壓電路組成。BF533通過(guò)PF接口實(shí)現對T6963C8位數據總線(xiàn)和控制線(xiàn)的讀寫(xiě)。其中使用PF0～PF7為數據線(xiàn)，PF12～PF14為控制線(xiàn)，圖2給出了BF533和LCD的接口方式。

2 數字音頻均衡器的軟件設計
軟件流程如圖3所示，首先對BF533進(jìn)行一系列的初始化，將系統設置在確定的工作狀態(tài)下。初始化完畢用戶(hù)通過(guò)按鍵選擇LCD的菜單項控制音頻信號處理。

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(guān)地看出對不同頻段的增益調節效果，方便了調節和分析。頻譜特性曲線(xiàn)可以通過(guò)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；為旋轉因子；N為DFT變換區間長(cháng)度；X(k)可以用來(lái)描述其音頻信號的頻譜。
實(shí)際操作中AD1836A每次通過(guò)SPORT0，將4個(gè)24位的采樣數據送入SPORT0接收緩沖區，并產(chǎn)生一次接收中斷，在中斷服務(wù)程序中接收的數據被送入設定的緩沖區中，當接收計數器達到N時(shí)，對采樣數據進(jìn)行FFT，計算出的幅頻特性曲線(xiàn)實(shí)時(shí)顯示在LCD上。