博客
數字音效DSP軟件設計
*系統結構
*數字音效軟件設計
摘要：
本文介紹了車載影音多媒體系統的總體設計， 并重點說明了多媒體系統中用均衡器來調節音效的原理、算法以及在TI 公司的音頻DSP TAS3103A 上實現的方法。采用了TI公司的48位DSPTAS3103A。該DSP可實現3聲道，12波段的獨立的信道均衡。
1、系統結構
本文設計的是一個高品質車載影音多媒體系統。該方案采用了全數字16:9液晶顯示屏，分辨率高達800×480。系統以雙核SoC為主處理器，處理器內置圖形加速部件具備獨立顯存，令影像播放效果更加流暢。系統可接入四路視頻信號，分別為DVD、倒車后視攝像頭、IPOD的視頻和外接備用視頻，通過AD轉換器轉換為ITU656標準視頻信號，輸入主處理器。
在音頻方面，不同于市面上其他產品，本系統的CD碟機與SD卡媒體播放音頻采用全數字I2S格式輸出，音源全數字域切換，并直接進入專業的數字音頻信號處理器（DSP）中，進行全數字音頻均衡、高低音調節，并可以實現3D聲場效果。
該功能完全不同于普通車載音響采用的模擬濾波器音頻均衡方式，令音質更加完美。音頻數模轉換部分采用業內公認的高品質24bitDAC轉換器，DAC內置過采樣高階數字低通濾波器。DAC輸出后的模擬有源濾波器采用4階巴特沃斯型。有源濾波采用發燒級運放NE5532，模擬音頻部分采用LDO單獨供電，使得音質更完美。具體結構如圖1所示。
2 、數字音效軟件設計
體系統采用均衡器EQ（Equalizer）調節音效。均衡器可以分別調節各種頻率成分電信號放大量，從而補償揚聲器和聲場的缺陷，具有補償、修飾各種聲源及其他一些特殊作用，即音效。一般的多媒體系統都支持幾種預置的音效，如正常、搖滾、爵士、民歌、布魯斯、古典、重金屬等，也可以由用戶自己調節幾個主要頻段的增益。
2.1、算法簡介
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。
雙線性傳遞函數定義如下：
以上傳遞函數定義了6 個參數， 也可以消去公倍數， 將參數轉換為5 個，即：
或者:
由傳遞函數式（2） 可得:
定義如下均衡器參數：Fs為采樣頻率、f0為中心頻率、dBgain 為增益， 以分貝為單位、Q 為品質因數（ 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）。
然后計算一些中間變量：
最后推出參數：
2.2、DSP簡介
TAS3103支持3D和環繞立體聲的算法，可實現軟件音量控制，低音和重音控制功能，以及每一信道多達12波段的獨立的信道均衡。3個通道中各有12個雙線性濾波器，可以實現12個波段的增益調節。雙線性濾波器的結構如圖3所示。
雙線性濾波器傳遞函數為：
2.3、DSP軟件實現
本系統音效調節有兩種方式，音效調節界面如圖4所示：
（1）選擇預置音效模式：包括NOMAL（一般）、POP（流行）、CLASSIC（經典）、JAZZ（爵士）、ROCK（搖滾）共5種模式。
（2）用戶自定義模式：手動設定各個頻點的增益，本DSP可支持多至12個頻點的增益設置，為產品升級預留空間，本界面實現了5個頻點，但具體實現方法和流程是完全相同的。
調節的流程如圖5 所示。
當用戶選擇預置的音效模式（ 一般、流行、經典、爵士、搖滾）時， 將預置的參數設定入存儲器。在自定義模式下， 實現音效調節需要進行增益讀取、系數計算、參數轉換和參數設置幾個步驟。
2.3.1、增益讀取
增益限定為-12dB~12dB，由于是圖形化界面調節，為使用方便，參數取整數。單擊“+”，增益值加1;單擊“-”，增益值減1。將增益通過驅動DeviceIoControl（）函數傳遞給DSPTAS3103A。
2.3.2、系數計算
系數計算要用到采樣頻率、中心頻率、增益、品質因數幾個參數。
（1）增益：由于用戶設定的各頻點增益單位是dB，因此先要換算為倍數。
（2）采樣頻率：由音源的采樣頻率確定，本系統中TAS3103A的輸入端為DVD光驅，其采樣頻率為44.1kHz。
（3）中心頻率：根據人耳的特性，5個中心頻點分別為：50Hz、200Hz、1kHz、3kHz、14kHz。
（4）品質因數：按照業內通行算法，取值為1。
系數計算流程如圖6所示。
2.3.3、參數轉換
32位寄存器中有效位數為28位，格式為5.23形式，5位是整數部分（最高位為符號位），23位是小數部分，具體示意如圖7所示。
將系統數轉換為5.23 參數的格式的具體流程如圖8所示。
圖8 系數轉換為5.23 格式的流程圖
2.3.4、參數設置
參數設置通過I2C總線對TAS3103A進行讀寫操作來實現。
3、應用效果
選用預定模式中爵士音效，實現從2kHz開始，高音shelf濾波，使得JAZZ模式樂器和聲音效果更加飽滿，如圖9、圖10所示
