基于DSP的数字音效处理器的设计及实现:dsp数字音效处理器

　　摘 要 介绍在同一硬件平台下实现多种音效的处理技术。选用TI公司的DSP平台实现系统设计。在系统框架下，对硬件和软件两个方面进行具体的分析和设计。硬件方面，主要对系统中涉及的以LPC2134为主的主系统和以TMS320C6713为主的从系统设计及数模和模数转换电路设计进行详细的分析和论述。软件方面介绍延时的实现原理，并完成小厅、中厅、大厅混响声场效果的算法模型设计。经过努力，设计完成的数字音效处理系统的声场效果得到认可。
　　关键词 音效；数字信号处理；混响
　　中图分类号：TP912.2 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)36-0091-04
　　Design and Implement Digital Audio Effects Processing System based on DSP//Tang Xincan
　　Abstract This thesis introduces a variety of processing technology based on the same hardware platform. According to the requirements of the client, system schema of digital audio effector is analysed, and performance parameters of the system was proposed by us. TI’s DSP platform is chosen for the system. Hardware and software are analysed and designed in the system frame. For the hardware, the thesis makes a detailed discussion, including system based on ARM processor LPC2134 as master CPU and digital signal processor TMS320VC6713 as the slave CPU, A/D and D/A converter circuits, for the software, the thesis firstly introduces the working principle of delay, and there is implemented that modeling of the sound reverberation of room, middle hall, hall. With work, all the sound effects are certificated.
　　Key words audio effect; digital signal process; sound reverberation
　　Author’s address Guangdong Electronic Vocational Technical School, Guangzhou, China 510515
　　
　　在实际生活中，除了符合建筑声学标准的录音室、音乐厅等外，一般的室内都很难达到音质及效果的完美。电子技术发展至今，数字信号处理器（DSP）性能的不断提高，许多原本只有通过建筑声学才能解决的声学效果问题，可以利用电声学知识以数字信号处理手段较为方便地解决。电声学与DSP技术的结合使得数字信号处理法声效生成技术所特有的灵活性、经济性、方便性、可靠性无不表现得淋漓尽致。现在国内自主研发生产的效果器已经起步，其发展空间巨大，市场前景广阔。该项目采用TI的DSP平台，在前人研究的基础上，经过不断调试和试验，完成小厅、中厅、大厅等多种厅堂房间混响的音效模型。
　　1 系统整体方案设计
　　1.1 整体方案
　　整个硬件系统选用ARM+DSP的双核体系结构。ARM选用Philips公司的LPC2134，由它完成整个体系的控制和流程操作；DSP选用TI公司的TMS320C6713，由它完成具体的算法和计算处理。
　　主系统主要包括ARM7系列微处理器LPC2134、LCD显示模块和LED显示模块、键盘、复位电路和晶振等。LPC2134为32位高性能低功耗微控制器芯片，该芯片内置丰富的硬件资源，包括32 KB的静态RAM、128 KB的Flash、2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口和实时时钟等。该CPU使用三级流水线技术，取指、译码及执指可同时完成，其最高操作频率可达60 MHz。向量中断控制器（VIC）可管理所有的32个中断输入，中断优先级可编程动态分配。这些功能的集成使得LPC2134十分适合于工业测控，并能胜任对人机接口模块的控制职能。其CPU外部复位芯片采用Electronic Theatre Controls公司生产的STC809S。
　　从系统是整个音效算法的硬件载体，其核心部分为TI公司的TMS320C6713。TMS320C6713 DSP是美国TI于1997年推出的C6000系列DSP芯片的一款，它是32位高速浮点型DSP，时钟最高频率为225 MHz。高性能的TMS320C6713浮点内核，时钟可以达到150 MHz，指令周期为6.7 ns。具有VelociTMTM先进VLIW结构内核，每个周期可以执行8条32 bit指令，最大峰值速为900 MFLOPS（百万次浮点操作／秒）；具有8个独立的功能单元，包括4个浮点和定点的32/40 bit的算术逻辑单元（ALU），2个定点的32/40 bit的算术逻辑单元，2个16 bit的算法器（32 bit结果）；具有类似RISC的指令集，支持字节寻址，支持40 bit算术逻辑单元运算，支持位操作，数据长度可以为8、16或者32 bit。片内集成大容量SRAM。
　　32位的外部存储器接口（EMIF），可访问的最大外部储存器空间为512 M字节，可实现与同步存储器（SDRAM或SBSRAM之一）和异步存储器（SRAM或EPROM）的无缝接口。
　　两个多通道缓冲串行端口（Multi-channel Buffered Serial Port，MCBSP），每个端口可以全双工通信与多达256个通道进行收发。直接支持H.100帧、MVIP（Multicast VRML Interchange Protocol）帧、SCSA（Signal Computing System Architecture）帧，与AC97帧兼容，与串行接口（SPI）兼容。
　　此外还有16通道的增强直接存储器访问（EDMA）控制器，2个32 bit的通道计时器，灵活的锁相环时钟产生器，省电模式控制逻辑，符合IEEE-1149.1（JTAG）规范的边缘检测等。
　　TMS320C6713的I2C接口通过12S音频传输协议与外部的AD、DA进行音频传输。
　　本系统的硬件设计整体结构如图1所示。
　　1.2 AD和DA电路设计
　　AD接口是DSP处理系统的一个重要的组成部分。本系统的ADC电路采用美国BB（Burr-Brown）公司生产的转换器PCM1804，其具有24位112 dB的动态范围。具体ADC电路如图2所示。
本文为全文原貌 未安装PDF浏览器用户请先下载安装 原版全文 　　DA转换电路选用24位的PCM1730，其动态范围为117 dB，保证系统总体的处理精度和噪声门限不下降。具体的DAC电路如图3所示。
　　2 系统软件设计
　　软件设计是本系统的核心。已设计好的硬件平台只有配合软件才能正常运行。本系统的软件设计主要基于各种音效的实现原理，经实践及反复调试，得出小厅、中厅、大厅音效的基本模型。
　　延时是实现数字音效效果的基本单元。延时可以分为3种，其中一种是不带反馈的，直接将输入的音频信号延迟一段时间后与未延迟的音频信号混和，其原理如图4所示；另一种是带反馈控制的延时，根据反馈量和延迟时间的不同，可以实现声音的反复延时，重复播放，其原理如图5所示；第三种是特殊的延时，延时的时间是可变的。
　　可以通过在内存中定义一块大小固定的环形缓冲区来实现延时线的功能。这个环形缓冲区只需要一个读、写复用的地址指针。每次在对延时线进行操作的时候，读写指针先从当前的地址单元读出t时间以前的数据，然后再将现在的数据写入该单元，然后更新读／写指针，让地址自增1，如图6所示。
　　讨论了延时线的实现问题后，下面继续分析延时线的参数：延迟时间。延迟线的延迟时间是由延迟线的单元数delay_size和系统的采样频率决定的，具体公式：①。
　　在本系统中，采样频率=96 kHz，而TMS320C6713支持最大512 MB的寻址，因此用DSP硬件实现延时线的延迟时间完全可以用模数寻址方式快速实现。
　　后期混响主要是生成以指数形式衰减的高密度回声，可以用FIR滤波器、梳状滤波器、全通滤波器等来实现。嵌套的全通滤波器如图7所示。图中如果G(z)只是一个延时单元，则该滤波器是标准的全通滤波器；如果G(z)也是一个全通滤波器，则滤波器为嵌套滤波器。其z变换：②。H(z)的模为③。从式③可以看出，如果G(z)的模为l，则H(z)的模也是l[1]，即G(z)为全通滤波器，H(z)也为全通滤波器。
　　对于混响算法来说，采用嵌套滤波器的一个显著优点表现在它的时域响应上。由于嵌套滤波器中的内部全通滤波器生成的回声可以通过外部滤波器的反馈环路重新作为输入信号，因此对于冲击响应来说其生成的回声数目远多于标准的全通滤波器，并且回声之间的间隔不像全通滤波器那样是固定的。另一方面，由于用的是全通滤波器，无论是嵌套还是级联，系统的响应都是全通的，可以不用担心系统的稳定性问题[2]。而如果采用其他的方法，有可能会导致系统不稳定。
　　小厅混响、中厅混响、大厅混响的后期模型如图8～图10所示。图中延时线的单位都是ms，括号中为滤波器的增益系数。图中LPF模块表示一个单极点低通滤波器，用它来模拟空气对声音中高频成分的吸收特性。
　　设计完成后，对音效器的频率响应、频率响应、噪声水平、动态范围、总谐波失真、互调失真、立体声道分离度等6项指标进行测试。从性能指标参数来看，设计的音效器已经完全达到要求的性能指标。音效器评价中主观测试非常重要，在这方面请业内经验丰富的听音师试听，他们都对这些声音效果表示肯定，认为效果器实现的效果接近国外同类优秀产品的性能。无论是客观测试还是主观测量，都得到令人满意的结果。
　　3 总结
　　音效处理是当今的一大热门，基于DSP的音效器更以其无以伦比的优势成为世界研究的主题。本文设计完成的音频信号处理系统实现小厅、中厅、大厅等效果，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。
　　参考文献
　　[1]姚天任,江太辉.数字信号处理[M].武汉:华中理工大学出版社,1988.
　　[2]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社,1995.
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