基于DSP的數字效果器的研究

摘要：提出了一種基于TMS320VC5402的音頻信號處理系統。介紹了該系統的總體方案和硬軟件設計，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的硬件和軟件系統是一個(gè)很好的音頻信號采集與處理系統。關(guān)鍵詞：音頻信號 音頻效果 數字信號處理 在調音臺和各種音響設備上，效果器是一種不可缺少的設備。有了效果器，才有了聲音的千變萬(wàn)化。高質(zhì)量的效果器能達到令人滿(mǎn)意的效果，使人有身臨其境的感覺(jué)?，F在效果器上的效果種類(lèi)越來(lái)越多，有的多達幾十種。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(shí)／延遲類(lèi)（包括延時(shí)、延遲、混響、殘響等）， （２）壓縮類(lèi)（包括噪聲門(mén)、均衡器等）， （３）失真類(lèi)（包括各種失真、金屬、“臟”效果器等）， （４）合唱類(lèi)（包括立體聲、鑲邊、八度器等）， （５）濾波器（包括哇音、相位等）。 目前國內的效果器市場(chǎng)多被國外產(chǎn)品所壟斷，價(jià)格昂貴。國產(chǎn)的效果器又多為模擬實(shí)現，成本高、損耗大、干擾大、穩定性差，且參數不易修改。而基于ＤＳＰ的數字效果器，是一種具有內置的數字接口且可進(jìn)行數字音頻處理的音響系統，它能克服以上缺點(diǎn)，達到令人滿(mǎn)意的效果。１ 系統總體方案 音頻信號處理系統如圖１所示，整個(gè)系統由單片機ＭＣＵ、數字信號處理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉換器、外擴存儲器、顯示屏和鍵盤(pán)等組成。其中ＭＣＵ作為主機，整個(gè)系統的初始化和控制都由它來(lái)完成。ＤＳＰ作為從機，主要完成音頻信號的算法處理，實(shí)現各種效果。而ＬＥＤ則把通過(guò)鍵盤(pán)控制的各種效果及其參數顯示出來(lái)，以便工作人員及時(shí)調整和修改。由于ＤＳＰ內部存儲器較小，不能滿(mǎn)足系統數據和程序存儲需要，所以需要外擴存儲器。 系統工作時(shí)，輸入的音頻信號是模擬信號，經(jīng)過(guò)高精度、高速度的ＡＤＣ轉換之后得到一串數字信號，分幀送入到波形輸入緩沖區ＲＡＭ。然后經(jīng)過(guò)ＤＳＰ內部高速處理，通過(guò)各種算法實(shí)現各種效果。經(jīng)過(guò)處理的音頻信號再輸入到高精度、高速度的ＤＡＣ轉換器中，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)現音效的實(shí)時(shí)處理，加入了緩沖區。系統中各模塊是同時(shí)進(jìn)行處理的，一部分信號正在ＡＤＣ中進(jìn)行轉換，而另一部分信號則正在ＤＳＰ處理器中進(jìn)行算法處理。整個(gè)系統以流水線(xiàn)方式進(jìn)行工作，保證了對音效的實(shí)時(shí)處理。 ２ 系統硬件電路的設計 ＤＳＰ芯片選用美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下簡(jiǎn)稱(chēng)‘Ｃ５４０２），單片機選用ＰＩＣ１６Ｆ７２，Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉換器選用２４位的ＣＳ４２２８Ａ，其較寬的動(dòng)態(tài)范圍能夠滿(mǎn)足高保真的音頻系統的要求。 ２.１ ‘Ｃ５４０２ ‘Ｃ５４０２是ＴＩ公司于１９９９年１０月推出的性?xún)r(jià)比較高的定點(diǎn)數字信號處理器，主要特點(diǎn)如下： %26;#183;具有先進(jìn)的多總線(xiàn)結構，三條１６位數據存儲器總線(xiàn)，一條程序存儲器總線(xiàn)和四條地址總線(xiàn)； %26;#183;操作速率達１００ＭＩＰＳ； %26;#183;４０位算術(shù)邏輯單元（ＡＬＵ），包括一個(gè)４０位桶形移位器和兩個(gè)４０位累加器；%26;#183;一個(gè)１７%26;#215;１７乘法器和一個(gè)４０位專(zhuān)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(gè)輔助寄存器及一個(gè)軟件棧，允許使用最先進(jìn)的定點(diǎn)ＤＳＰ、Ｃ語(yǔ)言編譯器； %26;#183;數據／程序尋址空間為１Ｍ%26;#215;１６位，內置４Ｋ%26;#215;１６位ＲＯＭ和１６Ｋ%26;#215;１６位ＲＡＭ； %26;#183;內置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（ＰＬＬ）時(shí)鐘產(chǎn)生器、兩個(gè)多通道緩沖串行口、一個(gè)８位與外部處理器通信的ＨＰＩ口、兩個(gè)１６位定時(shí)器以及６通道ＤＭＡ控制器； %26;#183;低功耗，工作電源為３Ｖ和１．８Ｖ（內核）。 ＤＳＰ通過(guò)其ＭｃＢＳＰ口與ＣＳ４２２８Ａ相連。ＭｃＢＳＰ串口是在ＴＤＭ串口和ＢＳＰ串口的基礎上發(fā)展而來(lái)的。它既可以實(shí)現時(shí)分多路通訊功能，又可以通過(guò)ＤＳＰ提供的ＤＭＡ功能實(shí)現不用ＣＰＵ參與的自動(dòng)緩存功能，從而把 ＤＳＰ從繁重的串口通訊中解放出來(lái)，提高了運行的效率。ＭｃＢＳＰ串口由數據接收發(fā)送部分、時(shí)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串口具有相當大的靈活性。串口的接收和發(fā)送時(shí)鐘ＣＬＫＲ和ＣＬＫＸ既可由外部設備提供，又可由內部時(shí)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運行，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控制運行，也可脫離ＣＰＵ通過(guò)直接內存存取單獨運行；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(mǎn)足Ｔ１／Ｅ１標準和ＡＣ９７標準。它的多通道接收和發(fā)送能力可達１２８個(gè)通道，數據寬度可在８、１２、１６、２０、２４和３２比特中任選，可進(jìn)行Ａ律和μ律壓縮和擴展。８比特數據傳送時(shí)可選擇從高位或低位開(kāi)始傳送，幀同步信號和數據時(shí)鐘信號的極性可編程，內部時(shí)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多媒體數字信號編解碼器(ＣＯＤＥＣ)在一個(gè)壓縮的２８針ＳＳＯＰ芯片上可提供兩個(gè)模／數轉換器和６個(gè)數／模轉換器，并分別帶有音量控制功能。ＣＳ４２２８Ａ芯片具有功能較強、連接方便、控制容易的特點(diǎn)。該芯片與環(huán)繞聲解碼器相結合，成為ＤＶＤ機、Ａ／Ｖ功放接收器和汽車(chē)音響的理想芯片。它可支持杜比數碼ＡＣ－３、ＡＡＣ、ＤＴＳ、杜比邏輯環(huán)繞聲(Ｄｏｌｂｙ Ｐｒｏ－Ｌｏｇｉｃ)、ＴＨＸ和ＭＰＥＧ等標準。一個(gè)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１００ｋＨｚ，具有可連接片外靜音電路的靜音控制引腳，片內具有抗混疊和輸出平滑濾波器。 在本系統中，ＣＳ４２２８Ａ采用主模式的工作方式。在工作過(guò)程中，ＬＲＣＫ管腳向ＤＳＰ發(fā)出一個(gè)幀同步信號，而采樣的數據信號將接著(zhù)幀同步信號后由ＳＤＯＵＴ管腳向ＤＳＰ傳送,從而完成采樣的全過(guò)程。經(jīng)過(guò)ＤＳＰ處理的數據信號由ＢＤＸ０管腳向ＣＳ４２２８Ａ傳送。ＣＳ４２２８Ａ與ＤＳＰ之間的主要接線(xiàn)如圖２所示。 ２．３ 單片機部分 單片機主要完成兩部分的工作，一是對ＣＳ４２２８Ａ的操作，通過(guò)ＣＣＬＫ、ＣＤＩＮ、ＣＳ和ＲＳＴ管腳實(shí)現對它的初始化和工作模式的選擇；另一就是對鍵盤(pán)和ＬＥＤ的控制，實(shí)現效果選擇和參數顯示。 ３ 軟件設計 軟件部分包括ＤＳＰ編程和單片機編程。ＤＳＰ編程的主要任務(wù)是完成音頻信號的算法處理，單片機編程的重點(diǎn)則是管理ＤＳＰ操作和應用層軟件的編寫(xiě)。本系統若完全采用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程，比較麻煩，而Ｃ語(yǔ)言以其靈活性和易移植性已經(jīng)廣泛應用在開(kāi)發(fā)系統中。對于更復雜的系統更是如此。本系統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。在進(jìn)行算法研究時(shí)，先在ＰＣ機上用Ｍａｔｌａｂ進(jìn)行仿真，然后再移植到ＤＳＰ平臺中?？紤]到效率問(wèn)題，可進(jìn)一步進(jìn)行手工匯編的調整。在各種效果實(shí)現的過(guò)程中，延時(shí)不僅是一種最基本的輸出效果，也是實(shí)現其它輸出效果的基礎，如混響效果、合唱效果、弗蘭格效果，都離不開(kāi)延時(shí)。 基本的延時(shí)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)現一次延時(shí)，能實(shí)現回聲效果；另一種是帶反饋控制的延時(shí)，它能實(shí)現聲音的反復延時(shí)、重復播放，其原理如圖４所示。還有一種特殊的延時(shí)，它的延時(shí)時(shí)間是可變的，可以在基本延時(shí)結構的基礎上加一個(gè)低頻振蕩器（ＬＦＯ）來(lái)實(shí)現。一般情況下，可以用正弦波或者三角波來(lái)實(shí)現。在合唱和弗蘭格效果的實(shí)現過(guò)程中就要用到這種延時(shí)。其原理如圖５所示。 目前，基于數字化的延時(shí)設備的應用已非常有效。實(shí)際上，數字延時(shí)設備的實(shí)現非常簡(jiǎn)單，只要有一定容量的內存，在每一個(gè)取樣間隔將先前值從存儲器的一個(gè)單元中讀出來(lái)，然后將當前的輸入值存儲在另一個(gè)存儲單元中（有時(shí)，這兩個(gè)存儲區域可能是同一個(gè)區域，所以在寫(xiě)入一個(gè)值前，必須首先將其中的值讀出）即可。在下一個(gè)取樣期間，讀寫(xiě)存儲區間的另一個(gè)區域，當到達存儲器底部時(shí)，又將從第一個(gè)存儲區域開(kāi)始循環(huán)。編寫(xiě)一個(gè)延時(shí)程序一般會(huì )使用兩個(gè)指針：一個(gè)讀指針和一個(gè)寫(xiě)指針，用來(lái)記錄從存儲器讀出的地址和寫(xiě)入存儲器的地址。每進(jìn)行一次操作指針就會(huì )自動(dòng)加一。對于第一種不帶反饋的延時(shí)，可用如下Ｃ程序實(shí)現： 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)現比較復雜，要通過(guò)六個(gè)并聯(lián)的梳狀濾波器ｃｏｍｂ和一個(gè)全通濾波器ａｌｌｐａｓｓ才能很好地實(shí)現。其實(shí)現過(guò)程如圖６所示。４ ＣＣＳ集成開(kāi)發(fā)平臺的應用 Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ 簡(jiǎn)稱(chēng)ＣＣＳ，是ＴＩ公司推出的為開(kāi)發(fā)ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ軟件的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。ＣＣＳ工作在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系統下，采用圖形接口界面，提供有編輯工具和工程管理工具。ＣＣＳ所集成的代碼調試工具具有各種調試功能，包括原ＴＩ公司提供的Ｃ源代碼調試器和模擬器所具有的全部功能，支持ＡＳＭ編程、Ｃ語(yǔ)言編程以及ＡＳＭ和Ｃ語(yǔ)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(shí)數據分析。ＣＣＳ在調試和仿真時(shí)具有很強的功能：允許中斷點(diǎn)、剖析點(diǎn)及探測點(diǎn)三種斷點(diǎn)設置，分別實(shí)現程序斷點(diǎn)、實(shí)時(shí)分析和數據導入等功能。此外，還提供豐富的輸入／輸出庫函數和信號處理的庫函數，極大地方便了ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ軟件的開(kāi)發(fā)過(guò)程。在程序編譯時(shí)，設定不同的編譯選項來(lái)控制優(yōu)化目標，如使用－ｐｍ、－ｏ３和內聯(lián)函數等，其效果是顯著(zhù)的，計算速度可提高很多。 本文設計完成的的音頻信號處理系統實(shí)現了音頻的壓縮、失真、均衡、延時(shí)、混響等效果，各種效果可以單獨使用，也可以串接使用，都能達到預想的效果。把相同的電吉它信號分別輸入ＺＯＯＭ ５０５（日產(chǎn)電吉它音效器）系統和本系統，然后在時(shí)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。將它用于調音臺或效果器等音頻設備，具有廣闊的市場(chǎng)前景。