車(chē)載多媒體系統(tǒng)數(shù)字音效DSP的軟件設(shè)計(jì)

時(shí)間：2019-02-28 19:10:01

關(guān)鍵字：多媒體嵌入式處理器數(shù)字系統(tǒng) 音效

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　　摘要：詳細(xì)介紹了數(shù)字音效調(diào)節(jié)算法及其在TAS3103A 上的軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用了TI 公司的48 位DSP TAS3103A。該DSP 可實(shí)現(xiàn)3 聲道，12 波段的獨(dú)立的信道均衡。

　　隨著中國(guó)汽車(chē)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，消費(fèi)者購(gòu)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(shè)備配置逐漸成為選車(chē)的新標(biāo)準(zhǔn)。車(chē)載多媒體系統(tǒng)最初只裝備在個(gè)別高端車(chē)型上，隨著汽車(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(tǒng)已經(jīng)逐步成為一般車(chē)型的常用裝備。多媒體系統(tǒng)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(tǒng)，例如收音機(jī)、CD 播放器、TV、導(dǎo)航系統(tǒng)和車(chē)載電話(huà)等。消費(fèi)者對(duì)車(chē)載多媒體系統(tǒng)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(shè)計(jì)師們通過(guò)專(zhuān)業(yè)的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的音效處理，提升系統(tǒng)的音質(zhì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

　　系統(tǒng)以雙核SoC 為主處理器，處理器內(nèi)置圖形加速部件具備獨(dú)立顯存，令影像播放效果更加流暢。系統(tǒng)可接入四路視頻信號(hào)，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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為ITU656 標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)，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(tǒng)的CD碟機(jī)與SD 卡媒體播放音頻采用全數(shù)字I2S 格式輸出，音源全數(shù)字域切換，并直接進(jìn)入專(zhuān)業(yè)的數(shù)字音頻信號(hào)處理器（DSP）中，進(jìn)行全數(shù)字音頻均衡、高低音調(diào)節(jié)，并可以實(shí)現(xiàn)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(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用業(yè)內(nèi)公認(rèn)的高品質(zhì)24 bit DAC 轉(zhuǎn)換器，DAC 內(nèi)置過(guò)采樣高階數(shù)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(jí)運(yùn)放NE5532 ，模擬音頻部分采用LDO 單獨(dú)供電，使得音質(zhì)更完美。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

2 數(shù)字音效軟件設(shè)計(jì)

　　多媒體系統(tǒng)采用均衡器EQ（Equalizer）調(diào)節(jié)音效。均衡器可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分電信號(hào)放大量，從而補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場(chǎng)的缺陷，具有補(bǔ)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(tǒng)都支持幾種預(yù)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(diào)節(jié)幾個(gè)主要頻段的增益。

　　2.1 算法簡(jiǎn)介

　　調(diào)節(jié)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(shù)定義如下：

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

　　或者：

　　由傳遞函數(shù)式（2）可得：

　　定義如下均衡器參數(shù)：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(shù)（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）。

　　然后計(jì)算一些中間變量：

　　最后推出參數(shù)：

　　2.2 DSP 簡(jiǎn)介

　　TAS3103 支持3D 和環(huán)繞立體聲的算法，可實(shí)現(xiàn)軟件音量控制，低音和重音控制功能，以及每一信道多達(dá)12波段的獨(dú)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(xiàn)12 個(gè)波段的增益調(diào)節(jié)。雙線(xiàn)性濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙線(xiàn)性濾波器結(jié)構(gòu)圖

　　雙線(xiàn)性濾波器傳遞函數(shù)為：

　　2.3 DSP 軟件實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)音效調(diào)節(jié)有兩種方式：

　?。?）選擇預(yù)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(shè)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(shè)置，為產(chǎn)品升級(jí)預(yù)留空間，本界面實(shí)現(xiàn)了5 個(gè)頻點(diǎn)，但具體實(shí)現(xiàn)方法和流程是完全相同的。

　　音效調(diào)節(jié)界面如圖4 所示。

　　音效調(diào)節(jié)的流程如圖5 所示。

圖5 音效調(diào)節(jié)流程圖

　　當(dāng)用戶(hù)選擇預(yù)置的音效模式（一般、流行、經(jīng)典、爵士、搖滾）時(shí)，將預(yù)置的參數(shù)設(shè)定入存儲(chǔ)器。

　　在自定義模式下，實(shí)現(xiàn)音效調(diào)節(jié)需要進(jìn)行增益讀取、系數(shù)計(jì)算、參數(shù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)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(diào)節(jié)，為使用方便，參數(shù)取整數(shù)。單擊“+ ” ，增益值加1; 單擊“- ” ，增益值減1。將增益通過(guò)驅(qū)動(dòng)DeviceIoControl （）函數(shù)傳遞給DSP TAS3103A 。

　　2.3.2 系數(shù)計(jì)算

　　系數(shù)計(jì)算要用到采樣頻率、中心頻率、增益、品質(zhì)因數(shù)幾個(gè)參數(shù)。

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

　　（2）采樣頻率：由音源的采樣頻率確定，本系統(tǒng)中TAS3103A 的輸入端為DVD 光驅(qū)，其采樣頻率為44.1 kHz。

　?。?）中心頻率：根據(jù)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(shù)：按照業(yè)內(nèi)通行算法，取值為1。

　　系數(shù)計(jì)算流程如圖6 所示。

圖6 系數(shù)計(jì)算流程圖

　　2.3.3 參數(shù)轉(zhuǎn)換

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

圖7 5.23 形式示意圖

　　將系數(shù)轉(zhuǎn)換為5.23 參數(shù)的格式的具體流程如圖8所示。