基于DSP的数字效果器的研究

摘要：提出了一种基于TMS320VC5402的音频信号处理系统。介绍了该系统的总体方案和硬软件设计，并对音频信号的处理算法进行了论述。实际使用证明，所述的基于DSP的硬件和软件系统是一个很好的音频信号采集与处理系统。 关键词：音频信号 音频效果 数字信号处理 在调音台和各种音响设备上，效果器是一种不可缺少的设备。有了效果器，才有了声音的千变万化。高质量的效果器能达到令人满意的效果，使人有身临其境的感觉。现在效果器上的效果种类越来越多，有的多达几十种。实际上从声学原理考虑，一共只有五种基本效果： （１）延时／延迟类（包括延时、延迟、混响、残响等）， （２）压缩类（包括噪声门、均衡器等）， （３）失真类（包括各种失真、金属、“脏”效果器等）， （４）合唱类（包括立体声、镶边、八度器等）， （５）滤波器（包括哇音、相位等）。 目前国内的效果器市场多被国外产品所垄断，价格昂贵。国产的效果器又多为模拟实现，成本高、损耗大、干扰大、稳定性差，且参数不易修改。而基于ＤＳＰ的数字效果器，是一种具有内置的数字接口且可进行数字音频处理的音响系统，它能克服以上缺点，达到令人满意的效果。 １ 系统总体方案 音频信号处理系统如图１所示，整个系统由单片机ＭＣＵ、数字信号处理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器、外扩存储器、显示屏和键盘等组成。其中ＭＣＵ作为主机，整个系统的初始化和控制都由它来完成。ＤＳＰ作为从机，主要完成音频信号的算法处理，实现各种效果。而ＬＥＤ则把通过键盘控制的各种效果及其参数显示出来，以便工作人员及时调整和修改。由于ＤＳＰ内部存储器较小，不能满足系统数据和程序存储需要，所以需要外扩存储器。 系统工作时，输入的音频信号是模拟信号，经过高精度、高速度的ＡＤＣ转换之后得到一串数字信号，分帧送入到波形输入缓冲区ＲＡＭ。然后经过ＤＳＰ内部高速处理，通过各种算法实现各种效果。经过处理的音频信号再输入到高精度、高速度的ＤＡＣ转换器中，还原成模拟的声音信号，经音响功率放大电路放大输出。 为了实现音效的实时处理，加入了缓冲区。系统中各模块是同时进行处理的，一部分信号正在ＡＤＣ中进行转换，而另一部分信号则正在ＤＳＰ处理器中进行算法处理。整个系统以流水线方式进行工作，保证了对音效的实时处理。 ２ 系统硬件电路的设计 ＤＳＰ芯片选用美国ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下简称‘Ｃ５４０２），单片机选用ＰＩＣ１６Ｆ７２，Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器选用２４位的ＣＳ４２２８Ａ，其较宽的动态范围能够满足高保真的音频系统的要求。 ２.１ ‘Ｃ５４０２ ‘Ｃ５４０２是ＴＩ公司于１９９９年１０月推出的性价比较高的定点数字信号处理器，主要特点如下： %26;#183;具有先进的多总线结构，三条１６位数据存储器总线，一条程序存储器总线和四条地址总线； %26;#183;操作速率达１００ＭＩＰＳ； %26;#183;４０位算术逻辑单元（ＡＬＵ），包括一个４０位桶形移位器和两个４０位累加器； %26;#183;一个１７%26;#215;１７乘法器和一个４０位专用加法器，允许１６位带／不带符号的乘法； %26;#183;整和维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度； %26;#183;８个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用最先进的定点ＤＳＰ、Ｃ语言编译器； %26;#183;数据／程序寻址空间为１Ｍ%26;#215;１６位，内置４Ｋ%26;#215;１６位ＲＯＭ和１６Ｋ%26;#215;１６位ＲＡＭ； %26;#183;内置可编程等待状态发生器、锁相环（ＰＬＬ）时钟产生器、两个多通道缓冲串行口、一个８位与外部处理器通信的ＨＰＩ口、两个１６位定时器以及６通道ＤＭＡ控制器； %26;#183;低功耗，工作电源为３Ｖ和１．８Ｖ（内核）。 ＤＳＰ通过其ＭｃＢＳＰ口与ＣＳ４２２８Ａ相连。ＭｃＢＳＰ串口是在ＴＤＭ串口和ＢＳＰ串口的基础上发展而来的。它既可以实现时分多路通讯功能，又可以通过ＤＳＰ提供的ＤＭＡ功能实现不用ＣＰＵ参与的自动缓存功能，从而把 ＤＳＰ从繁重的串口通讯中解放出来，提高了运行的效率。ＭｃＢＳＰ串口由数据接收发送部分、时钟及帧同步信号产生器、多通道选择以及ＣＰＵ中断信号和ＤＭＡ同步信号等组成。同以前的串口相比，ＭｃＢＳＰ串口具有相当大的灵活性。串口的接收和发送时钟ＣＬＫＲ和ＣＬＫＸ既可由外部设备提供，又可由内部时钟产生器提供；帧同步信号ＦＳＸ和ＦＳＲ的输入、输出极性可以进行选择；串口的信号发送和接收部分既可单独运行，又可合在一起配合工作；ＣＰＵ中断信号和ＤＭＡ同步信号使得Ｍｃ ＢＳＰ串口可由ＣＰＵ控制运行，也可脱离ＣＰＵ通过直接内存存取单独运行；多通道选择部分使得串口具备了多通道信号通讯能力。 正是由于ＭｃＢＳＰ串口所特有的灵活性，使其可以满足Ｔ１／Ｅ１标准和ＡＣ９７标准。它的多通道接收和发送能力可达１２８个通道，数据宽度可在８、１２、１６、２０、２４和３２比特中任选，可进行Ａ律和μ律压缩和扩展。８比特数据传送时可选择从高位或低位开始传送，帧同步信号和数据时钟信号的极性可编程，内部时钟和帧同步信号产生器也可由软件编程控制。 ２．２ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ电路 ＣＳ４２２８Ａ多媒体数字信号编解码器(ＣＯＤＥＣ) 在一个压缩的２８针ＳＳＯＰ芯片上可提供两个模／数转换器和６个数／模转换器，并分别带有音量控制功能。ＣＳ４２２８Ａ芯片具有功能较强、连接方便、控制容易的特点。该芯片与环绕声解码器相结合，成为ＤＶＤ机、Ａ／Ｖ功放接收器和汽车音响的理想芯片。它可支持杜比数码ＡＣ－３、ＡＡＣ、ＤＴＳ、杜比逻辑环绕声(Ｄｏｌｂｙ Ｐｒｏ－Ｌｏｇｉｃ)、ＴＨＸ和ＭＰＥＧ等标准。一个灵活的串行接口允许使用Ｌｅｆｔ Ｊｕｓｔｉｆｉｅｄ、Ｒｉｇｈｔ Ｊｕｓｔｉｆｉｅｄ、Ｉ２Ｓ、或Ｏｎｅ Ｌｉｎｅ Ｄａｔａ 模式。采样率可达１００ｋＨｚ，具有可连接片外静音电路的静音控制引脚，片内具有抗混叠和输出平滑滤波器。 在本系统中，ＣＳ４２２８Ａ采用主模式的工作方式。在工作过程中，ＬＲＣＫ管脚向ＤＳＰ发出一个帧同步信号，而采样的数据信号将接着帧同步信号后由ＳＤＯＵＴ管脚向ＤＳＰ传送,从而完成采样的全过程。经过ＤＳＰ处理的数据信号由ＢＤＸ０管脚向ＣＳ４２２８Ａ传送。ＣＳ４２２８Ａ与ＤＳＰ之间的主要接线如图２所示。 ２．３ 单片机部分 单片机主要完成两部分的工作，一是对ＣＳ４２２８Ａ的操作，通过ＣＣＬＫ、ＣＤＩＮ、ＣＳ和ＲＳＴ管脚实现对它的初始化和工作模式的选择；另一就是对键盘和ＬＥＤ的控制，实现效果选择和参数显示。 ３ 软件设计 软件部分包括ＤＳＰ编程和单片机编程。ＤＳＰ编程的主要任务是完成音频信号的算法处理，单片机编程的重点则是管理ＤＳＰ操作和应用层软件的编写。本系统若完全采用汇编语言进行编程，比较麻烦，而Ｃ语言以其灵活性和易移植性已经广泛应用在开发系统中。对于更复杂的系统更是如此。本系统采用了混合编程的方法。 这里主要介绍一下音频算法处理的实现。在进行算法研究时，先在ＰＣ机上用Ｍａｔｌａｂ进行仿真，然后再移植到ＤＳＰ平台中。考虑到效率问题，可进一步进行手工汇编的调整。在各种效果实现的过程中，延时不仅是一种最基本的输出效果，也是实现其它输出效果的基础，如混响效果、合唱效果、弗兰格效果，都离不开延时。 基本的延时有两种，其中一种是不带反馈的，其原理如图３所示，它只是对输入实现一次延时，能实现回声效果；另一种是带反馈控制的延时，它能实现声音的反复延时、重复播放，其原理如图４所示。 还有一种特殊的延时，它的延时时间是可变的，可以在基本延时结构的基础上加一个低频振荡器（ＬＦＯ）来实现。一般情况下，可以用正弦波或者三角波来实现。在合唱和弗兰格效果的实现过程中就要用到这种延时。其原理如图５所示。 目前，基于数字化的延时设备的应用已非常有效。实际上，数字延时设备的实现非常简单，只要有一定容量的内存，在每一个取样间隔将先前值从存储器的一个单元中读出来，然后将当前的输入值存储在另一个存储单元中（有时，这两个存储区域可能是同一个区域，所以在写入一个值前，必须首先将其中的值读出）即可。在下一个取样期间，读写存储区间的另一个区域，当到达存储器底部时，又将从第一个存储区域开始循环。编写一个延时程序一般会使用两个指针：一个读指针和一个写指针，用来记录从存储器读出的地址和写入存储器的地址。每进行一次操作指针就会自动加一。对于第一种不带反馈的延时，可用如下Ｃ程序实现： 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; } } 混响也是一种比较常用且重要的效果，其实现比较复杂，要通过六个并联的梳状滤波器ｃｏｍｂ和一个全通滤波器ａｌｌｐａｓｓ才能很好地实现。其实现过程如图６所示。 ４ ＣＣＳ集成开发平台的应用 Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ 简称ＣＣＳ，是ＴＩ公司推出的为开发ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ软件的集成开发环境。ＣＣＳ工作在Ｗｉｎｄｏｗｓ操作系统下，采用图形接口界面，提供有编辑工具和工程管理工具。ＣＣＳ所集成的代码调试工具具有各种调试功能，包括原ＴＩ公司提供的Ｃ源代码调试器和模拟器所具有的全部功能，支持ＡＳＭ编程、Ｃ语言编程以及ＡＳＭ和Ｃ语言混合编程。能对ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ进行指令级的仿真和可视化的实时数据分析。ＣＣＳ在调试和仿真时具有很强的功能：允许中断点、剖析点及探测点三种断点设置，分别实现程序断点、实时分析和数据导入等功能。此外，还提供丰富的输入／输出库函数和信号处理的库函数，极大地方便了ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ软件的开发过程。在程序编译时，设定不同的编译选项来控制优化目标，如使用－ｐｍ、－ｏ３和内联函数等，其效果是显著的，计算速度可提高很多。 本文设计完成的的音频信号处理系统实现了音频的压缩、失真、均衡、延时、混响等效果，各种效果可以单独使用，也可以串接使用，都能达到预想的效果。把相同的电吉它信号分别输入ＺＯＯＭ ５０５（日产电吉它音效器）系统和本系统，然后在时域与频域以及振幅与相位上对输出波形进行比较，可以看出最后的音色效果几乎一样。将它用于调音台或效果器等音频设备，具有广阔的市场前景。