基于DSP的數(shù)字效果器的研究

摘要：提出了一種基于TMS320VC5402的音頻信號處理系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的總體方案和硬軟件設(shè)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(tǒng)是一個很好的音頻信號采集與處理系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：音頻信號 音頻效果 數(shù)字信號處理在調(diào)音臺和各種音響設(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／延遲類（包括延時、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）。

目前國內(nèi)的效果器市場多被國外產(chǎn)品所壟斷，價格昂貴。國產(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)總體方案音頻信號處理系統(tǒng)如圖１所示，整個系統(tǒng)由單片機(jī)ＭＣＵ、數(shù)字信號處理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器、外擴(kuò)存儲器、顯示屏和鍵盤等組成。其中ＭＣＵ作為主機(jī)，整個系統(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，以便工作人員及時調(diào)整和修改。由于ＤＳＰ內(nèi)部存儲器較小，不能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)和程序存儲需要，所以需要外擴(kuò)存儲器。
系統(tǒng)工作時，輸入的音頻信號是模擬信號，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，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，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)時處理，加入了緩沖區(qū)。系統(tǒng)中各模塊是同時進(jìn)行處理的，一部分信號正在ＡＤＣ中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，而另一部分信號則正在ＤＳＰ處理器中進(jìn)行算法處理。整個系統(tǒng)以流水線方式進(jìn)行工作，保證了對音效的實(shí)時處理。

２ 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計ＤＳＰ芯片選用美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下簡稱‘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月推出的性價比較高的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，主要特點(diǎn)如下：
·具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，三條１６位數(shù)據(jù)存儲器總線，一條程序存儲器總線和四條地址總線；
·操作速率達(dá)１００ＭＩＰＳ；

·４０位算術(shù)邏輯單元（ＡＬＵ），包括一個４０位桶形移位器和兩個４０位累加器；

·一個１７×１７乘法器和一個４０位專用加法器，允許１６位帶／不帶符號的乘法；
·整和維特比加速器，用于提高維特比編譯碼的速度；
·８個輔助寄存器及一個軟件棧，允許使用最先進(jìn)的定點(diǎn)ＤＳＰ、Ｃ語言編譯器；
·數(shù)據(jù)／程序?qū)ぶ房臻g為１Ｍ×１６位，內(nèi)置４Ｋ×１６位ＲＯＭ和１６Ｋ×１６位ＲＡＭ；
·內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（ＰＬＬ）時鐘產(chǎn)生器、兩個多通道緩沖串行口、一個８位與外部處理器通信的ＨＰＩ口、兩個１６位定時器以及６通道ＤＭＡ控制器；
·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(dāng)大的靈活性。串口的接收和發(fā)送時鐘