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計，并對音頻信號的處理算法進行了論述。實際使用證明，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)。

    關鍵詞：音頻信號 音頻效果 數字信號處理

在調音臺和各種音響設備上，效果器是一種不可缺少的設備。有了效果器，才有了聲音的千變萬化。高質量的效果器能達到令人滿意的效果，使人有身臨其境的感覺?，F在效果器上的效果種類越來越多，有的多達幾十種。實際上從聲學原理考慮，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）。

目前國內的效果器市場多被國外產品所壟斷，價格昂貴。國產的效果器又多為模擬實現，成本高、損耗大、干擾大、穩(wěn)定性差，且參數不易修改。而基于ＤＳＰ的數字效果器，是一種具有內置的數字接口且可進行數字音頻處理的音響系統(tǒng)，它能克服以上缺點，達到令人滿意的效果。

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ＭＣＵ、數字信號處理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉換器、外擴存儲器、顯示屏和鍵盤等組成。其中ＭＣＵ作為主機，整個系統(tǒng)的初始化和控制都由它來完成。ＤＳＰ作為從機，主要完成音頻信號的算法處理，實現各種效果。而ＬＥＤ則把通過鍵盤控制的各種效果及其參數顯示出來，以便工作人員及時調整和修改。由于ＤＳＰ內部存儲器較小，不能滿足系統(tǒng)數據和程序存儲需要，所以需要外擴存儲器。

系統(tǒng)工作時，輸入的音頻信號是模擬信號，經過高、高速度的ＡＤＣ轉換之后得到一串數字信號，分幀送入到波形輸入緩沖區(qū)ＲＡＭ。然后經過ＤＳＰ內部高速處理，通過各種算法實現各種效果。經過處理的音頻信號再輸入到高、高速度的ＤＡＣ轉換器中，還原成模擬的聲音信號，經音響功率放大電路放大輸出。

為了實現音效的實時處理，加入了緩沖區(qū)。系統(tǒng)中各模塊是同時進行處理的，一部分信號正在ＡＤＣ中進行轉換，而另一部分信號則正在ＤＳＰ處理器中進行算法處理。整個系統(tǒng)以流水線方式進行工作，保證了對音效的實時處理。

２ 系統(tǒng)硬件電路的設計

ＤＳＰ芯片選用美國ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下簡稱‘Ｃ５４０２），單片機選用ＰＩＣ１６Ｆ７２，Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉換器選用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數字信號處理器，主要特點如下：

·具有先進的多總線結構，三條１６位數據存儲器總線，一條程序存儲器總線和四條地址總線；

·操作速率達１００ＭＩＰＳ；

·４０位算術邏輯單元（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，允許使用的定點ＤＳＰ、Ｃ語言編譯器；

·數據／程序尋址空間為１Ｍ×１６位，內置４Ｋ×１６位ＲＯＭ和１６Ｋ×１６位ＲＡＭ；

·內置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（ＰＬＬ）時鐘產生器、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串口的基礎上發(fā)展而來的。它既可以實現時分多路通訊功能，又可以通過ＤＳＰ提供的ＤＭＡ功能實現不用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，提高了運行的效率。ＭｃＢＳＰ串口由數據接收發(fā)送部分、時鐘及幀同步信號產生器、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串口具有相當大的靈活性。串口的接收和發(fā)送時鐘ＣＬＫＲ和ＣＬＫＸ既可由外部設備提供，又可由內部時鐘產生器提供；幀同步信號ＦＳＸ和ＦＳＲ的輸入、輸出極性可以進行選擇；串口的信號發(fā)送和接收部分既可單獨運行，又可合在一起配合工作；ＣＰＵ中斷信號和ＤＭＡ同步信號使得Ｍｃ ＢＳＰ串口可由ＣＰＵ控制運行，也可脫離ＣＰＵ通過直接內存存取單獨運行；多通道選擇部分使得串口具備了多通道信號通訊能力。

正是由于ＭｃＢＳＰ串口所特有的靈活性，使其可以滿足Ｔ１／Ｅ１標準和ＡＣ９７標準。它的多通道接收和發(fā)送能力可達１２８個通道，數據寬度可在８、１２、１６、２０、２４和３２比特中任選，可進行Ａ律和μ律壓縮和擴展。８比特數據傳送時可選擇從高位或低位開始傳送，幀同步信號和數據時鐘信號的極性可編程，內部時鐘和幀同步信號產生器也可由軟件編程控制。

２．２ Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ電路

ＣＳ４２２８Ａ多媒體數字信號編解碼器(ＣＯＤＥＣ) 在一個壓縮的２８針ＳＳＯＰ芯片上可提供兩個模／數轉換器和６個數／模轉換器，并分別帶有音量控制功能。ＣＳ４２２８Ａ芯片具有功能較強、連接方便、控制容易的特點。該芯片與環(huán)繞聲解碼器相結合，成為ＤＶＤ機、Ａ／Ｖ功放接收器和汽車音響的理想芯片。它可支持杜比數碼ＡＣ－３、ＡＡＣ、ＤＴＳ、杜比邏輯環(huán)繞聲(Ｄｏｌｂｙ Ｐｒｏ－Ｌｏｇｉｃ)、ＴＨＸ和ＭＰＥＧ等標準。一個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１００ｋＨｚ，具有可連接片外靜音電路的靜音控制引腳，片內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)出一個幀同步信號，而采樣的數據信號將接著幀同步信號后由ＳＤＯＵＴ管腳向ＤＳＰ傳送,從而完成采樣的全過程。經過ＤＳＰ處理的數據信號由ＢＤＸ０管腳向ＣＳ４２２８Ａ傳送。ＣＳ４２２８Ａ與ＤＳＰ之間的主要接線如圖２所示。

２．３ 單片機部分

單片機主要完成兩部分的工作，一是對ＣＳ４２２８Ａ的操作，通過ＣＣＬＫ、ＣＤＩＮ、ＣＳ和ＲＳＴ管腳實現對它的初始化和工作模式的選擇；另一就是對鍵盤和ＬＥＤ的控制，實現效果選擇和參數顯示。

３ 軟件設計

軟件部分包括ＤＳＰ編程和單片機編程。ＤＳＰ編程的主要任務是完成音頻信號的算法處理，單片機編程的重點則是管理ＤＳＰ操作和應用層軟件的編寫。本系統(tǒng)若完全采用匯編語言進行編程，比較麻煩，而Ｃ語言以其靈活性和易移植性已經廣泛應用在開發(fā)系統(tǒng)中。對于更復雜的系統(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現。在進行算法研究時，先在ＰＣ機上用Ｍａｔｌａｂ進行仿真，然后再移植到ＤＳＰ平臺中?？紤]到效率問題，可進一步進行手工匯編的調整。在各種效果實現的過程中，延時不僅是一種基本的輸出效果，也是實現其它輸出效果的基礎，如混響效果、合唱效果、弗蘭格效果，都離不開延時。

基本的延時有兩種，其中一種是不帶反饋的，其原理如圖３所示，它只是對輸入實現延時，能實現回聲效果；另一種是帶反饋控制的延時，它能實現聲音的反復延時、重復播放，其原理如圖４所示。

還有一種特殊的延時，它的延時時間是可變的，可以在基本延時結構的基礎上加一個低頻振蕩器（ＬＦＯ）來實現。一般情況下，可以用正弦波或者三角波來實現。在合唱和弗蘭格效果的實現過程中就要用到這種延時。其原理如圖５所示。

目前，基于數字化的延時設備的應用已非常有效。實際上，數字延時設備的實現非常簡單，只要有一定容量的內存，在每一個取樣間隔將先前值從存儲器的一個單元中讀出來，然后將當前的輸入值存儲在另一個存儲單元中（有時，這兩個存儲區(qū)域可能是同一個區(qū)域，所以在寫入一個值前，必須首先將其中的值讀出）即可。在下一個取樣期間，讀寫存儲區(qū)間的另一個區(qū)域，當到達存儲器底部時，又將從個存儲區(qū)域開始循環(huán)。編寫一個延時程序一般會使用兩個指針：一個讀指針和一個寫指針，用來記錄從存儲器讀出的地址和寫入存儲器的地址。每進行操作指針就會自動加一。對于種不帶反饋的延時，可用如下Ｃ程序實現：

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，其實現比較復雜，要通過六個并聯的梳狀濾波器ｃｏｍｂ和一個全通濾波器ａｌｌｐａｓｓ才能很好地實現。其實現過程如圖６所示。

４ ＣＣＳ集成開發(fā)平臺的應用

Ｃｏｄｅ Ｃｏｍｐｏｓｅｒ Ｓｔｕｄｉｏ 簡稱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所集成的代碼調試工具具有各種調試功能，包括原ＴＩ公司提供的Ｃ源代碼調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ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ進行指令級的仿真和可視化的實時數據分析。ＣＣＳ在調試和仿真時具有很強的功能：允許中斷點、剖析點及探測點三種斷點設置，分別實現程序斷點、實時分析和數據導入等功能。此外，還提供豐富的輸入／輸出庫函數和信號處理的庫函數，極大地方便了ＴＭＳ３２０系列ＤＳＰ軟件的開發(fā)過程。在程序編譯時，設定不同的編譯選項來控制優(yōu)化目標，如使用－ｐｍ、－ｏ３和內聯函數等，其效果是顯著的，計算速度可提高很多。

本文設計完成的的音頻信號處理系統(tǒng)實現了音頻的壓縮、失真、均衡、延時、混響等效果，各種效果可以單獨使用，也可以串接使用，都能達到預想的效果。把相同的電吉它信號分別輸入ＺＯＯＭ ５０５（日產電吉它音效器）系統(tǒng)和本系統(tǒng)，然后在時域與頻域以及振幅與相位上對輸出波形進行比較，可以看出的音色效果幾乎一樣。將它用于調音臺或效果器等音頻設備，具有廣闊的市場前景。

  

參考文獻:

[1]. TMS320VC5402 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TMS320VC5402_688959.html.