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(hào)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(duì)音頻信號(hào)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(gè)很好的音頻信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：音頻信號(hào) 音頻效果 數(shù)字信號(hào)處理 在調(diào)音臺(tái)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?，F(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(shí)／延遲類（包括延時(shí)、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(guó)內(nèi)的效果器市場(chǎng)多被國(guó)外產(chǎn)品所壟斷，價(jià)格昂貴。國(guó)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(hào)處理系統(tǒng)如圖１所示，整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)ＭＣＵ、數(shù)字信號(hào)處理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、顯示屏和鍵盤等組成。其中ＭＣＵ作為主機(jī)，整個(gè)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(hào)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(shí)調(diào)整和修改。由于ＤＳＰ內(nèi)部存儲(chǔ)器較小，不能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)需要，所以需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。 系統(tǒng)工作時(shí)，輸入的音頻信號(hào)是模擬信號(hào)，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(hào)，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(hào)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(hào)，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(shí)處理，加入了緩沖區(qū)。系統(tǒng)中各模塊是同時(shí)進(jìn)行處理的，一部分信號(hào)正在ＡＤＣ中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號(hào)則正在ＤＳＰ處理器中進(jìn)行算法處理。整個(gè)系統(tǒng)以流水線方式進(jìn)行工作，保證了對(duì)音效的實(shí)時(shí)處理。 ２ 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ＤＳＰ芯片選用美國(guó)ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下簡(jiǎn)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(dòng)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(jià)比較高的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(chǔ)器總線，一條程序存儲(chǔ)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(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位專用加法器，允許１６位帶／不帶符號(hào)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?jìng)€(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(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(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(shí)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(dòng)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(shí)鐘及幀同步信號(hào)產(chǎn)生器、多通道選擇以及ＣＰＵ中斷信號(hào)和ＤＭＡ同步信號(hào)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(shí)鐘ＣＬＫＲ和ＣＬＫＸ既可由外部設(shè)備提供，又可由內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生器提供；幀同步信號(hào)ＦＳＸ和ＦＳＲ的輸入、輸出極性可以進(jìn)行選擇；串口的信號(hào)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(hào)和ＤＭＡ同步信號(hào)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(hào)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?jìng)€(gè)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?cái)?shù)據(jù)傳送時(shí)可選擇從高位或低位開始傳送，幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號(hào)的極性可編程，內(nèi)部時(shí)鐘和幀同步信號(hào)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(hào)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(shù)轉(zhuǎn)換器和６個(gè)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(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(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(gè)幀同步信號(hào)，而采樣的數(shù)據(jù)信號(hào)將接著幀同步信號(hào)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(hào)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(duì)ＣＳ４２２８Ａ的操作，通過ＣＣＬＫ、ＣＤＩＮ、ＣＳ和ＲＳＴ管腳實(shí)現(xiàn)對(duì)它的初始化和工作模式的選擇；另一就是對(duì)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(hào)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(duì)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(shí)，先在ＰＣ機(jī)上用Ｍａｔｌａｂ進(jìn)行仿真，然后再移植到ＤＳＰ平臺(tái)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(shí)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(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(duì)輸入實(shí)現(xiàn)一次延時(shí)，能實(shí)現(xiàn)回聲效果；另一種是帶反饋控制的延時(shí)，它能實(shí)現(xiàn)聲音的反復(fù)延時(shí)、重復(fù)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加一個(gè)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(shí)。其原理如圖５所示。 目前，基于數(shù)字化的延時(shí)設(shè)備的應(yīng)用已非常有效。實(shí)際上，數(shù)字延時(shí)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只要有一定容量的內(nèi)存，在每一個(gè)取樣間隔將先前值從存儲(chǔ)器的一個(gè)單元中讀出來，然后將當(dāng)前的輸入值存儲(chǔ)在另一個(gè)存儲(chǔ)單元中（有時(shí)，這兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域可能是同一個(gè)區(qū)域，所以在寫入一個(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，讀寫存儲(chǔ)區(qū)間的另一個(gè)區(qū)域，當(dāng)?shù)竭_(dá)存儲(chǔ)器底部時(shí)，又將從第一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域開始循環(huán)。編寫一個(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)寫指針，用來記錄從存儲(chǔ)器讀出的地址和寫入存儲(chǔ)器的地址。每進(jìn)行一次操作指針就會(huì)自動(dòng)加一。對(duì)于第一種不帶反饋的延時(shí)，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(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(xiàn)。其實(shí)現(xiàn)過程如圖６所示。４ ＣＣＳ集成開發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用 Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ 簡(jiǎn)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(duì)ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ進(jìn)行指令級(jí)的仿真和可視化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。ＣＣＳ在調(diào)試和仿真時(shí)具有很強(qiáng)的功能：允許中斷點(diǎn)、剖析點(diǎn)及探測(cè)點(diǎn)三種斷點(diǎn)設(shè)置，分別實(shí)現(xiàn)程序斷點(diǎn)、實(shí)時(shí)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(hào)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(shí)，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(hào)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(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(hào)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(shí)域與頻域以及振幅與相位上對(duì)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(tái)或效果器等音頻設(shè)備，具有廣闊的市場(chǎng)前景。