- 基于TMS320VC5402的音頻信號(hào)采集與處理系統(tǒng)

2.3 D/A電路

PCM1744是雙聲道立體聲DAC，包含數(shù)字濾波器和輸出放大器，動(dòng)態(tài)范圍為95dB，具有多種采樣頻率可選，最高可達(dá)96kHz。采用24位的IIS數(shù)據(jù)輸入格式。PCM1744的操作主要涉及到LRCIN(采樣時(shí)鐘信號(hào)輸入)、BCKIN(位時(shí)鐘信號(hào)輸入)、SCKI(系統(tǒng)時(shí)鐘輸入)、DIN(數(shù)據(jù)輸入)這幾個(gè)對(duì)時(shí)序有要求的引腳。PCM1744與'C5402連接后，'C5402使用緩沖串口1發(fā)送數(shù)據(jù)，各種時(shí)鐘信號(hào)均由'C5402產(chǎn)生，PCM1744被動(dòng)接收各種信息。PCM1744的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)(SCKI)由'C5402的TOUT引腳提供，TOUT是'C5402的定時(shí)器輸出信號(hào)引腳，有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)芯片。PCM1744的數(shù)據(jù)接收時(shí)鐘格式必須是IIS格式，'C5402在緩沖串口寄存器中設(shè)置各種時(shí)鐘方式時(shí)，必須滿足IIS格式的要求。'C5402作為主動(dòng)工作器件，可以對(duì)其緩沖串口輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。輸出的采樣時(shí)鐘信號(hào)、位時(shí)鐘信號(hào)可以在McBSP寄存器SRGR1和SRGR2中設(shè)置，設(shè)置遵循圖3的原則。

基本的時(shí)鐘信號(hào)可以來自CPU時(shí)鐘，也可以來自晶振時(shí)鐘，這在SRGR2寄存器中的第13位設(shè)置?；緯r(shí)鐘輸入后，經(jīng)CLKGDV(SRGR1的第7位到第0位)所設(shè)置的值進(jìn)行第一次分頻，得到位時(shí)鐘信號(hào)(由BCLKX1腳輸出)。值得注意的是，位時(shí)鐘信號(hào)最高為DSP頻率的一半。位時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)FPER(SRGR2的第11位到第0位)和FWID(SRGR1的第15位到第8位)所設(shè)置的值進(jìn)一步分頻得到采樣時(shí)鐘信號(hào)(由BFSX1腳輸出)，F(xiàn)PER和FWID分別設(shè)置采樣時(shí)鐘信號(hào)的低電平和高電平的時(shí)間值。'C5402與PCM1744的硬件接線如圖4所示。

PCM1800完成音頻信號(hào)采集后，在DSP的外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器中嵌入相應(yīng)的處理算法，語音信號(hào)經(jīng)處理后，再從PCM1744輸出。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括DSP編程和PC編程。DSP編程的主要任務(wù)是初始化、管理板上的資源和完成音頻的處理算法，可參考有關(guān)資料。PC編程重點(diǎn)則是管理DSP操作和應(yīng)用層軟件編寫。

3.1 A/D與D/A程序設(shè)計(jì)

為了在20kHz的音響頻段獲得優(yōu)良的音頻輸出，A/D和D/A的采樣頻率應(yīng)該達(dá)到44.1kHz或48kHz。要正確編寫采樣和輸出音頻信號(hào)的程序，必須對(duì)'C5402的McBSP相關(guān)寄存器(spcr1, spcr2, rcr1, rcr2, xcr1, xcr2, srgr1, srgr2, mcr1, mcr2, rcera1, rcerb1, xcera, xcerb, pcr1)進(jìn)行正確的設(shè)置[1]，以滿足'C5402和PCM1744、PCM1800的各種時(shí)序要求(位同步、幀同步、時(shí)鐘信號(hào)等)。為了使TOUT能給外圍器件提供時(shí)鐘信號(hào)，應(yīng)設(shè)計(jì)到DSP的定時(shí)和中斷操作，具體請(qǐng)參考TI提供的Spru302.pdf資料。

3.2 DSP和PC的編程

DSP程序首先初始化'C5402和模擬接口。在分配好相應(yīng)的緩沖區(qū)和產(chǎn)生相應(yīng)的中斷之后，進(jìn)行各項(xiàng)音效處理算法，例如：壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲抑制ZNR、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時(shí)反唱等，或者幾種算法混合進(jìn)行。

PC的編程包括DSP接口部分和應(yīng)用層編程部分。在PC程序的開始，與DSP接口部分的程序先調(diào)用初始化函數(shù)，將DSP程序下載到DSP(初始化程序在DSP中載入一個(gè)很小的自舉程序，然后通過自舉程序一段一段地把全部程序載入DSP)中。初始化完成后，與DSP接口部分程序再按自定義的"通信協(xié)議"在指定位置讀出DSP處理結(jié)果幀或DSP的請(qǐng)求幀，并將它交給上一層(應(yīng)用程序)處理。應(yīng)用程序亦通過與DSP接口部分程序向DSP發(fā)出各種命令。上層應(yīng)用程序是用戶使用系統(tǒng)的界面，它提供語音數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)管理等功能。

3.3 基于優(yōu)化工具的程序優(yōu)化

根據(jù)用戶的要求，選擇C程序優(yōu)化器和匯編優(yōu)化器，對(duì)編碼器的特定性能如代碼長(zhǎng)度、計(jì)算速度等進(jìn)行優(yōu)化。使用方法是在編譯(Built Options)時(shí)設(shè)定不同的編譯選項(xiàng)來控制優(yōu)化目標(biāo)。根據(jù)我們的實(shí)踐，認(rèn)為選擇下列幾項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化對(duì)提高計(jì)算速度等的影響較大：

(1) -pm：程序級(jí)全局優(yōu)化，包括程序的外部訪問、全局變量的優(yōu)化和函數(shù)的外部調(diào)用。
(2) -o3：采用三級(jí)優(yōu)化技術(shù)。其中第一級(jí)優(yōu)化主要完成消除無用賦值和局部公共表達(dá)式等，第二級(jí)優(yōu)化主要完成循環(huán)算法的優(yōu)化并將循環(huán)中的數(shù)組訪問轉(zhuǎn)化為指針增量形式、實(shí)施循環(huán)展開、消除全局公共子表達(dá)式和無用賦值等，第三級(jí)優(yōu)化主要完成消除冗余代碼、簡(jiǎn)化表達(dá)式和語句、使用內(nèi)聯(lián)(inline)函數(shù)并展開等。-o3在上述基礎(chǔ)上還完成消除從未使用的函數(shù)、對(duì)函數(shù)聲明進(jìn)行重排序和對(duì)函數(shù)使用內(nèi)聯(lián)形式等。
(3) 使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)(intrinsic)。 'C5402編譯器提供的intrinsic可以快速優(yōu)化C代碼。Intrinsic是直接映射為內(nèi)聯(lián)的'C5402指令的特殊函數(shù)(ETSI函數(shù))。Intrinsic用前下劃線表示，使用時(shí)同函數(shù)的調(diào)用一樣。

實(shí)踐表明：選擇上述幾項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化，只要編譯選項(xiàng)選擇適當(dāng)，其效果是很顯著的，計(jì)算速度可提高5~10倍，當(dāng)然其代碼長(zhǎng)度會(huì)有少許增加。

3.4 音頻信號(hào)處理算法簡(jiǎn)介

在聲音的拾取和傳輸過程中，由于設(shè)備和器件的限制，其幅度對(duì)頻率的響應(yīng)并不是一致的，極有可能出現(xiàn)某些頻率成分的增益太大或太小。對(duì)于頻率響應(yīng)特性的這類缺陷，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。音頻信號(hào)的均衡算法，就是通過軟件設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)某些頻率成分的增益，對(duì)其進(jìn)行提升或衰減。聲音信號(hào)經(jīng)均衡處理后，可以彌補(bǔ)頻率響應(yīng)特性的缺陷，也可以人為地制造一些較好的音響效果。

另外，樂音具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，但音響設(shè)備本身允許的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍是有限的。如果對(duì)樂音不作處理直接送到音箱，則會(huì)產(chǎn)生大信號(hào)過載而失真?從而使小信號(hào)淹沒在噪聲中的情形，音質(zhì)因而下降。設(shè)計(jì)算法對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮處理，其目的就是來改變信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，使大信號(hào)的強(qiáng)度變?nèi)?，小信?hào)的強(qiáng)度增強(qiáng)，即信號(hào)的放大倍數(shù)隨著輸入信號(hào)的電平而改變。壓縮算法要保證系統(tǒng)的頻率響應(yīng)保持平坦。
當(dāng)然，音頻信號(hào)的處理是一個(gè)很復(fù)雜的過程，例如電吉它音效器還包括調(diào)制、延時(shí)混響等算法的處理。

本文設(shè)計(jì)的音頻信號(hào)采集與處理系統(tǒng)，已作為電吉他等音效器研制的硬件試驗(yàn)平臺(tái)，并具有如下算法：壓縮模塊、失真模塊、ZNR/AMP模塊、均衡模塊、調(diào)制模塊、延時(shí)混響模塊。各個(gè)模塊可以單獨(dú)使用，也可以串聯(lián)使用，并采用兩個(gè)LED數(shù)碼顯示器表示選擇好的混合
音效模式。它大大改變了電吉它自身的音色，可產(chǎn)生壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲抑制(ZNR)、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時(shí)反響等多種單獨(dú)的音色效果，也可同時(shí)使用幾種音色效果，極大地豐富了電吉他現(xiàn)場(chǎng)演奏效果。把相同的電吉它信號(hào)分別輸入Z00M 505 (日本ZOOM公司生產(chǎn))和該系統(tǒng)，然后分別把輸出波形在時(shí)域與頻域以及幅值與相位上進(jìn)行分析比較，進(jìn)行算法的優(yōu)化處理，可以發(fā)現(xiàn)最終音色效果相差無幾。另外，在此系統(tǒng)中，既有A/D又有D/A，構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)，可自發(fā)自收；而算法則集中在DSP芯片內(nèi)進(jìn)行模塊化處理，這給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來了很大的方便。所以，如果能在本文提出的以TMS320VC5402 DSP芯片為核心器件的音頻信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出功能及效果與ZOOM 505相媲美的電吉它音效器，可以從根本上改變國內(nèi)目前的電吉它音效器市場(chǎng)基本上被國外產(chǎn)品所壟斷的局面[3]，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。