車(chē)載多媒體系統數字音效DSP軟件設計

隨著(zhù)中國汽車(chē)市場(chǎng)的不斷擴大， 消費者購車(chē)的需求已經(jīng)悄然發(fā)生變化， 車(chē)輛的舒適性、便捷性、娛樂(lè )設備配置逐漸成為選車(chē)的新標準。車(chē)載多媒體系統最初只裝備在個(gè)別高端車(chē)型上， 隨著(zhù)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷發(fā)展和各品牌車(chē)型的更新?lián)Q代， 這套系統已經(jīng)逐步成為一般車(chē)型的常用裝備。多媒體系統為車(chē)主提供了諸多方便， 使駕車(chē)出行變得輕松。車(chē)主可以使用廣泛的信息和娛樂(lè )系統， 例如收音機、CD 播放器、TV、導航系統和車(chē)載電話(huà)等。消費者對車(chē)載多媒體系統的聲音質(zhì)量要求越來(lái)越高， 高水平的音效成為車(chē)載多媒體電子產(chǎn)品的重要賣(mài)點(diǎn)。設計師們通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數字信號處理器來(lái)實(shí)現精準的音效處理，提升系統的音質(zhì)。

　　1 系統結構

　　本文設計的是一個(gè)高品質(zhì)車(chē)載影音多媒體系統。該方案采用了全數字16:9 液晶顯示屏，分辨率高達800×480。

　　系統以雙核SoC 為主處理器，處理器內置圖形加速部件具備獨立顯存，令影像播放效果更加流暢。系統可接入四路視頻信號，分別為DVD、倒車(chē)后視攝像頭、IPOD 的視頻和外接備用視頻， 通過(guò)AD 轉換器轉換為ITU656 標準視頻信號， 輸入主處理器。

　　在音頻方面， 不同于市面上其他產(chǎn)品， 本系統的CD碟機與SD 卡媒體播放音頻采用全數字I2S 格式輸出， 音源全數字域切換， 并直接進(jìn)入專(zhuān)業(yè)的數字音頻信號處理器（DSP） 中， 進(jìn)行全數字音頻均衡、高低音調節， 并可以實(shí)現3D 聲場(chǎng)效果。該功能完全不同于普通車(chē)載音響采用的模擬濾波器音頻均衡方式， 令音質(zhì)更加完美。音頻數模轉換部分采用業(yè)內公認的高品質(zhì)24 bit DAC 轉換器，DAC 內置過(guò)采樣高階數字低通濾波器。DAC 輸出后的模擬有源濾波器采用4 階巴特沃斯型。有源濾波采用發(fā)燒級運放NE5532 ， 模擬音頻部分采用LDO 單獨供電，使得音質(zhì)更完美。具體結構如圖1 所示。

　　2 數字音效軟件設計

　　多媒體系統采用均衡器EQ（Equalizer）調節音效。均衡器可以分別調節各種頻率成分電信號放大量，從而補償揚聲器和聲場(chǎng)的缺陷，具有補償、修飾各種聲源及其他一些特殊作用，即音效。一般的多媒體系統都支持幾種預置的音效，如正常、搖滾、爵士、民歌、布魯斯、古典、重金屬等，也可以由用戶(hù)自己調節幾個(gè)主要頻段的增益。

　2.1 算法簡(jiǎn)介

2.2 DSP 簡(jiǎn)介

　　TAS3103 支持3D 和環(huán)繞立體聲的算法， 可實(shí)現軟件音量控制， 低音和重音控制功能， 以及每一信道多達12波段的獨立的信道均衡。3 個(gè)通道中各有12 個(gè)雙線(xiàn)性濾波器， 可以實(shí)現12 個(gè)波段的增益調節。雙線(xiàn)性濾波器的結構如圖3 所示。

圖3 雙線(xiàn)性濾波器結構圖

　　雙線(xiàn)性濾波器傳遞函數為：

　　2.3 DSP 軟件實(shí)現

　　本系統音效調節有兩種方式：

　?。?） 選擇預置音效模式： 包括NOMAL（ 一般）、POP（ 流行）、CLASSIC（經(jīng)典）、JAZZ（爵士）、ROCK（搖滾）共5 種模式。

　?。?） 用戶(hù)自定義模式： 手動(dòng)設定各個(gè)頻點(diǎn)的增益， 本DSP 可支持多至12 個(gè)頻點(diǎn)的增益設置， 為產(chǎn)品升級預留空間， 本界面實(shí)現了5 個(gè)頻點(diǎn)， 但具體實(shí)現方法和流程是完全相同的。[next]

　　音效調節界面如圖4 所示。

　　音效調節的流程如圖5 所示。

圖5 音效調節流程圖

　　當用戶(hù)選擇預置的音效模式（ 一般、流行、經(jīng)典、爵士、搖滾）時(shí)， 將預置的參數設定入存儲器。

　　在自定義模式下， 實(shí)現音效調節需要進(jìn)行增益讀取、系數計算、參數轉換和參數設置幾個(gè)步驟。

　　2.3.1 增益讀取

　　增益限定為-12 dB~12 dB， 由于是圖形化界面調節，為使用方便， 參數取整數。單擊“+ ” ， 增益值加1; 單擊“- ” ， 增益值減1。將增益通過(guò)驅動(dòng)DeviceIoControl （ ） 函數傳遞給DSP TAS3103A 。

　　調節聲音效果的重要工具均衡器把若干濾波器組合在一起， 各自帶有中心頻率、Q、提升或衰減量的控制，如圖2 所示。

圖2 均衡器

　　雙線(xiàn)性傳遞函數定義如下：

　　以上傳遞函數定義了6 個(gè)參數， 也可以消去公倍數， 將參數轉換為5 個(gè)，即：

　　或者：

　　由傳遞函數式（2） 可得：

　　定義如下均衡器參數：Fs為采樣頻率、f0為中心頻率、dBgain 為增益， 以分貝為單位、Q 為品質(zhì)因數（ 中心頻率f0和帶寬B 之比，Q 值越大， 表明濾波器頻率分辨力越高）。[next]

　　然后計算一些中間變量：

　　最后推出參數：

2.3.2 系數計算

　將系數轉換為5.23 參數的格式的具體流程如圖8所示。

圖8 將系數轉換為5.23 格式的流程圖

　　2.3.4 參數設置

　　參數設置通過(guò)I2C 總線(xiàn)對TAS3103A 進(jìn)行讀寫(xiě)操作來(lái)實(shí)現。

　　3 應用效果

　　選用預定模式中爵士音效， 實(shí)現從2 kHz 開(kāi)始， 高音shelf 濾波， 使得JAZZ 模式樂(lè )器和聲音效果更加飽滿(mǎn)， 如圖9 、圖10 所示。

　　本文介紹了車(chē)載影音多媒體系統的總體設計， 并重點(diǎn)說(shuō)明了多媒體系統中用均衡器來(lái)調節音效的原理、算法以及在TI 公司的音頻DSP TAS3103A 上實(shí)現的方法。

　　目前該系統音效已成為產(chǎn)品的突出賣(mài)點(diǎn)。

　　系數計算要用到采樣頻率、中心頻率、增益、品質(zhì)因數幾個(gè)參數。

　?。?） 增益： 由于用戶(hù)設定的各頻點(diǎn)增益單位是dB， 因此先要換算為倍數。

　?。?）采樣頻率： 由音源的采樣頻率確定， 本系統中TAS3103A 的輸入端為DVD 光驅?zhuān)洳蓸宇l率為44.1 kHz。

　?。?） 中心頻率： 根據人耳的特性，5 個(gè)中心頻點(diǎn)分別為：50 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz、14 kHz。

　?。?）品質(zhì)因數： 按照業(yè)內通行算法， 取值為1。

　　系數計算流程如圖6 所示。

圖6 系數計算流程圖

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　　2.3.3 參數轉換

　　32 位寄存器中有效位數為28 位， 格式為5.23 形式，5 位是整數部分（ 最高位為符號位），23 位是小數部分， 具體示意如圖7 所示。

圖7 5.23 形式示意圖