基于DSP的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計

摘要 音頻均衡器在音頻系統(tǒng)中是調(diào)節(jié)音色的重要工具之一。文中提出了一種基于ADSP—BF533硬件平臺的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計，其音頻處理算法包括譜分析和均衡算法。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)可達到理想的音頻均衡效果，用戶可對各種音效進行選擇和自定義音效。
關(guān)鍵詞 音頻均衡器；譜分析；ADSP—BF533

    均衡器是一種可以分別凋節(jié)各種頻率成分電信號放大龜?shù)碾娮釉O(shè)備，通過調(diào)節(jié)音頻均衡器的參數(shù)，可以補償揚聲器和聲場的缺陷，起到補償和修飾各種聲源的作用。
    分立器件與運放構(gòu)建的模擬電感音頻均衡器，因受分立器件本身性能的影響，存在許多不利因素，使該音頻均衡器在競爭中處于劣勢。提出了在ADSP—BF533硬件系統(tǒng)上設(shè)計數(shù)字音頻均衡器的方法。譜分析算法采用FFT，其程序設(shè)計可以調(diào)用DSP的實時信號處理庫函數(shù)。均衡器的設(shè)計算法采用FIR濾波器的設(shè)計方法，F(xiàn)IR濾波器具有嚴格的線性相位，均衡后的音頻不會產(chǎn)生相位失真。系統(tǒng)相對于模擬音頻均衡器有較大的優(yōu)越性，設(shè)計靈活、運算精度高、處理速度快、滿足實時信號處理的要求。

1 數(shù)字音頻均衡器的硬件設(shè)計
    硬件平臺以ADSP—BF533(DSP)作為數(shù)字信號處理核心，AD1836A作為音頻采集和播放單元，LCD顯示模塊和按鍵實現(xiàn)人界交互。系統(tǒng)原理如圖1所示。

    模擬音頻信號經(jīng)AD1836A模數(shù)轉(zhuǎn)換，南DSP數(shù)字均衡后再傳送給AD1836A進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)音頻信號的均衡。用戶可以通過LCD顯示模塊和按鍵來改變DSP中的軟件處理流程或參數(shù)，完成對數(shù)字音頻均衡器的控制。
1．1 主處理器ADSP-BF533
    ADSP—BF533處理器是ADSP Blackfin系列的成員，其結(jié)構(gòu)采用了微信號結(jié)構(gòu)(Micro Signal Architecture)，具備簡潔的RISC指令集結(jié)構(gòu)。內(nèi)部指令處理采用流水線技術(shù)，并集成乘累加單元(MAC)和算術(shù)邏輯單元(ALU)，其最高核頻率可達600 MHz。
    BF533集成了豐富的外設(shè)接口，在數(shù)字音頻均衡器中使用SPORT0完成數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)傳輸，使用SPI來配置AD1836A的工作模式，并用可編程標志(PF)與LCD、按鍵進行連接。
1．2 音頻編碼器AD1836A
    AD1836A是一個高性能的單片編碼器，能夠提供3個立體聲的DAC和2個立體聲的ADC。DSP通過SPI將AD1836A配置采樣率為48 kHz，數(shù)據(jù)字寬為24位的音頻編碼器，并通過SPORT和AD1836A進行數(shù)據(jù)的傳輸，其串行數(shù)據(jù)端口可以采用流行的I2S串行模式。
1．3 LCD顯示模塊設(shè)計
    LCD選用MSP-G240128DYSY的點陣式液晶顯示模塊，該液晶顯示模塊的驅(qū)動控制系統(tǒng)由液晶顯示控制器T6963C及其外圍電路、行驅(qū)動器組、列驅(qū)動器組和液晶驅(qū)動偏電壓電路組成。BF533通過PF接口實現(xiàn)對T6963C8位數(shù)據(jù)總線和控制線的讀寫。其中使用PF0～PF7為數(shù)據(jù)線，PF12～PF14為控制線，圖2給出了BF533和LCD的接口方式。

2 數(shù)字音頻均衡器的軟件設(shè)計
    軟件流程如圖3所示，首先對BF533進行一系列的初始化，將系統(tǒng)設(shè)置在確定的工作狀態(tài)下。初始化完畢用戶通過按鍵選擇LCD的菜單項控制音頻信號處理。

2．1 音頻信號的譜分析算法
    在音頻信號處理中加入譜分析可以更直觀地看出對不同頻段的增益調(diào)節(jié)效果，方便了調(diào)節(jié)和分析。頻譜特性曲線可以通過離散傅里葉變換得到，如式(1)所示。
   
    式中，x(n)為音頻信號采樣序列；為旋轉(zhuǎn)因子；N為DFT變換區(qū)間長度；X(k)可以用來描述其音頻信號的頻譜。
    實際操作中AD1836A每次通過SPORT0，將4個24位的采樣數(shù)據(jù)送入SPORT0接收緩沖區(qū)，并產(chǎn)生一次接收中斷，在中斷服務(wù)程序中接收的數(shù)據(jù)被送入設(shè)定的緩沖區(qū)中，當接收計數(shù)器達到N時，對采樣數(shù)據(jù)進行FFT，計算出的幅頻特性曲線實時顯示在LCD上。[!--empirenews.page--]
2．2 音頻信號的均衡器算法
    均衡器的作用是對信號的某段特定頻率成分進行推進或衰減。只調(diào)節(jié)低頻或高頻增益的均衡器，是由擱置濾波器(Shelving Filter)控制，低頻調(diào)節(jié)由低通擱置濾波器實現(xiàn)，高頻調(diào)節(jié)由高通擱置濾波器實現(xiàn)，其頻率響應(yīng)如圖4所示。

    在大多數(shù)應(yīng)用中，低通和高通濾波器是盡量對頻譜的一部分完全刪除。但擱置濾波器僅僅是對頻譜的一部分進行推進或衰減，而留下剩余部分不受影響，此時就需要設(shè)計一個峰值濾波器或帶通濾波器，其頻率響應(yīng)如圖5所示。

    這3種濾波器組成了最簡單的均衡系統(tǒng)，本系統(tǒng)是要設(shè)計一個圖示均衡器，其操作簡單便于控制，由一系列的固定中心頻率的峰值濾波器組成，可以得出圖示均衡器的設(shè)計框圖如圖6所示。

    按照上述思路，實際上只需設(shè)計均衡器中的濾波器即可，根據(jù)線性系統(tǒng)的疊加性，以上的各個濾波器可以并聯(lián)成一個系統(tǒng)函數(shù)，這個系統(tǒng)函數(shù)是要求線性相位，以滿足不失真的還原出聲音信號，而線性相位FIR數(shù)字濾波器正好滿足上述條件。系統(tǒng)設(shè)計了一個9段的均衡器，將AD1836A初始化為采樣率fs=48 kHz，定義歸一化頻率λ=f／fs，可以給出均衡器各個頻率段的參數(shù)如表1所示。

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    設(shè)計理想濾波器傳輸函數(shù)，其幅頻特性如圖7所示，其中g(shù)ain1～gain9是9個頻率段的增益，每個頻率段的增益可調(diào)范圍是-12～12 dB。

    由圖可以看出均衡器的傳輸函數(shù)是由一個低通濾波器并聯(lián)一系列帶通濾波器組成的，因此可寫成如下形式
   
    對hd(n)進行加窗h(n)=hd(n)w(n)，然后讓h(n)和x(n)進行卷積，即可得到輸出序列y(n)，從而完成了濾波運算。

3 系統(tǒng)測試
    系統(tǒng)測試包括兩方面的內(nèi)容，首先是譜分析測試，用來檢驗系統(tǒng)進行的譜分析是否滿足工程要求；另一個是均衡器測試，檢驗均衡器對各個頻段的增益調(diào)節(jié)效果和對整個音頻范圍的均衡效果。測試方法可以通過BF533的開發(fā)軟件VisualDSP++的plot功能實現(xiàn)。
3．1 譜分析測試
    對輸入信號進行48 kHz的采樣，將數(shù)據(jù)放入長度為256的緩沖區(qū)中為譜分析作準備。聲音信號的頻率范圍是20 Hz～20 kHz，其20 Hz和20 kHz正弦信號的譜分析測試結(jié)果如下。

    其中圖8和圖9分別是是20 Hz和20 kHz的256點的采樣信號和頻譜圖，其中圖8(a)，圖9(a)的頻譜是實際信號的頻譜，圖8(b)，圖9(b)是FFT得到的頻譜，可見該算法能夠較好的反映出原始信號的頻譜特性。由圖可以看出，該算法滿足了譜分析的需要。

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3．2 均衡器測試
    均衡器可以看成是一個線性時不變系統(tǒng)，其系統(tǒng)函數(shù)是單位沖擊響應(yīng)h(n)的離散時間傅里葉變換，因此的幅頻特性反映了均衡器的均衡效果。
    (1)均衡器增益測試。信號源產(chǎn)生20 Hz～20 kHz的正弦掃頻信號，并從示波器觀測信號幅度的變化，測試系統(tǒng)的幅頻特性曲線是否滿足要求。9段均衡器每個頻率段的可調(diào)范圍是-12～12 dB，經(jīng)測試當輸入峰峰值為1 V的正弦信號時，設(shè)置均衡器的增益全部為0 dB時，輸出信號峰峰值為540 mV；在需要頻段增益為-12 dB時，輸出信號峰峰值為140 mV；在需要頻段增益為12 dB時，輸出信號峰峰值為2．18 V，可見均衡的增益是滿足要求的。圖10和圖11為均衡器低中高頻3個頻段的增益測試頻譜圖。

    (2)均衡器音效測試。系統(tǒng)可以提供7種音效供用戶選擇，其中有POP、ROCK、DANCE、COUNTRY、JAZZ、CLASSIC和BRUCE。它們都是對音頻信號的不同頻段進行放大或衰減，以達到不同的音質(zhì)效果。每一種音效的各個頻段的增益如表2所示。

    根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計的均衡器，在幾個音效下的系統(tǒng)函數(shù)幅頻特性曲線如圖12所示。

4 結(jié)束語
    介紹了一種基于ADSP—BF533設(shè)計數(shù)字音頻均衡器的方法，即用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)對音頻信號的均衡。提出了一種采用FIR濾波器設(shè)計均衡器的算法，并利用LCD和按鍵實現(xiàn)外部控制，該方法滿足了對音頻信號的實時處理和均衡。