基于DSP的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計(jì)

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(tái)的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計(jì)，其音頻處理算法包括譜分析和均衡算法。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可達(dá)到理想的音頻均衡效果，用戶可對(duì)各種音效進(jìn)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(hào)放大龜?shù)碾娮釉O(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)音頻均衡器的參數(shù)，可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場(chǎng)的缺陷，起到補(bǔ)償和修飾各種聲源的作用。
    分立器件與運(yùn)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(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。提出了在ADSP—BF533硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)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(jì)可以調(diào)用DSP的實(shí)時(shí)信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)。均衡器的設(shè)計(jì)算法采用FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法，F(xiàn)IR濾波器具有嚴(yán)格的線性相位，均衡后的音頻不會(huì)產(chǎn)生相位失真。系統(tǒng)相對(duì)于模擬音頻均衡器有較大的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)算精度高、處理速度快、滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求。

1 數(shù)字音頻均衡器的硬件設(shè)計(jì)
    硬件平臺(tái)以ADSP—BF533(DSP)作為數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)人界交互。系統(tǒng)原理如圖1所示。

    模擬音頻信號(hào)經(jīng)AD1836A模數(shù)轉(zhuǎn)換，南DSP數(shù)字均衡后再傳送給AD1836A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的均衡。用戶可以通過(guò)LCD顯示模塊和按鍵來(lái)改變DSP中的軟件處理流程或參數(shù)，完成對(duì)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(hào)結(jié)構(gòu)(Micro Signal Architecture)，具備簡(jiǎn)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(dá)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(lái)配置AD1836A的工作模式，并用可編程標(biāo)志(PF)與LCD、按鍵進(jìn)行連接。
1．2 音頻編碼器AD1836A
    AD1836A是一個(gè)高性能的單片編碼器，能夠提供3個(gè)立體聲的DAC和2個(gè)立體聲的ADC。DSP通過(guò)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(guò)SPORT和AD1836A進(jìn)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(jì)
    LCD選用MSP-G240128DYSY的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，該液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由液晶顯示控制器T6963C及其外圍電路、行驅(qū)動(dòng)器組、列驅(qū)動(dòng)器組和液晶驅(qū)動(dòng)偏電壓電路組成。BF533通過(guò)PF接口實(shí)現(xiàn)對(duì)T6963C8位數(shù)據(jù)總線和控制線的讀寫(xiě)。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(jì)
    軟件流程如圖3所示，首先對(duì)BF533進(jìn)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(guò)按鍵選擇LCD的菜單項(xiàng)控制音頻信號(hào)處理。

2．1 音頻信號(hào)的譜分析算法
    在音頻信號(hào)處理中加入譜分析可以更直觀地看出對(duì)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(guò)離散傅里葉變換得到，如式(1)所示。
   
    式中，x(n)為音頻信號(hào)采樣序列；為旋轉(zhuǎn)因子；N為DFT變換區(qū)間長(zhǎng)度；X(k)可以用來(lái)描述其音頻信號(hào)的頻譜。
    實(shí)際操作中AD1836A每次通過(guò)SPORT0，將4個(gè)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(dāng)接收計(jì)數(shù)器達(dá)到N時(shí)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，計(jì)算出的幅頻特性曲線實(shí)時(shí)顯示在LCD上。[!--empirenews.page--]
2．2 音頻信號(hào)的均衡器算法
    均衡器的作用是對(duì)信號(hào)的某段特定頻率成分進(jìn)行推進(jìn)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(shí)現(xiàn)，高頻調(diào)節(jié)由高通擱置濾波器實(shí)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(duì)頻譜的一部分完全刪除。但擱置濾波器僅僅是對(duì)頻譜的一部分進(jìn)行推進(jìn)或衰減，而留下剩余部分不受影響，此時(shí)就需要設(shè)計(jì)一個(gè)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(jiǎn)單的均衡系統(tǒng)，本系統(tǒng)是要設(shè)計(jì)一個(gè)圖示均衡器，其操作簡(jiǎn)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(jì)框圖如圖6所示。

    按照上述思路，實(shí)際上只需設(shè)計(jì)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(gè)濾波器可以并聯(lián)成一個(gè)系統(tǒng)函數(shù)，這個(gè)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(hào)，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(jì)了一個(gè)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(gè)頻率段的參數(shù)如表1所示。

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    設(shè)計(jì)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(gè)頻率段的增益，每個(gè)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(gè)低通濾波器并聯(lián)一系列帶通濾波器組成的，因此可寫(xiě)成如下形式
   
    對(duì)hd(n)進(jìn)行加窗h(n)=hd(n)w(n)，然后讓h(n)和x(n)進(jìn)行卷積，即可得到輸出序列y(n)，從而完成了濾波運(yùn)算。

3 系統(tǒng)測(cè)試
    系統(tǒng)測(cè)試包括兩方面的內(nèi)容，首先是譜分析測(cè)試，用來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行的譜分析是否滿足工程要求；另一個(gè)是均衡器測(cè)試，檢驗(yàn)均衡器對(duì)各個(gè)頻段的增益調(diào)節(jié)效果和對(duì)整個(gè)音頻范圍的均衡效果。測(cè)試方法可以通過(guò)BF533的開(kāi)發(fā)軟件VisualDSP++的plot功能實(shí)現(xiàn)。
3．1 譜分析測(cè)試
    對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行48 kHz的采樣，將數(shù)據(jù)放入長(zhǎng)度為256的緩沖區(qū)中為譜分析作準(zhǔn)備。聲音信號(hào)的頻率范圍是20 Hz～20 kHz，其20 Hz和20 kHz正弦信號(hào)的譜分析測(cè)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(diǎn)的采樣信號(hào)和頻譜圖，其中圖8(a)，圖9(a)的頻譜是實(shí)際信號(hào)的頻譜，圖8(b)，圖9(b)是FFT得到的頻譜，可見(jiàn)該算法能夠較好的反映出原始信號(hào)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(cè)試
    均衡器可以看成是一個(gè)線性時(shí)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(shí)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(cè)試。信號(hào)源產(chǎn)生20 Hz～20 kHz的正弦掃頻信號(hào)，并從示波器觀測(cè)信號(hào)幅度的變化，測(cè)試系統(tǒng)的幅頻特性曲線是否滿足要求。9段均衡器每個(gè)頻率段的可調(diào)范圍是-12～12 dB，經(jīng)測(cè)試當(dāng)輸入峰峰值為1 V的正弦信號(hào)時(shí)，設(shè)置均衡器的增益全部為0 dB時(shí)，輸出信號(hào)峰峰值為540 mV；在需要頻段增益為-12 dB時(shí)，輸出信號(hào)峰峰值為140 mV；在需要頻段增益為12 dB時(shí)，輸出信號(hào)峰峰值為2．18 V，可見(jiàn)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(gè)頻段的增益測(cè)試頻譜圖。

    (2)均衡器音效測(cè)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(duì)音頻信號(hào)的不同頻段進(jìn)行放大或衰減，以達(dá)到不同的音質(zhì)效果。每一種音效的各個(gè)頻段的增益如表2所示。

    根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)的均衡器，在幾個(gè)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(yǔ)
    介紹了一種基于ADSP—BF533設(shè)計(jì)數(shù)字音頻均衡器的方法，即用數(shù)字信號(hào)處理的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)音頻信號(hào)的均衡。提出了一種采用FIR濾波器設(shè)計(jì)均衡器的算法，并利用LCD和按鍵實(shí)現(xiàn)外部控制，該方法滿足了對(duì)音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理和均衡。