基于DSP的数字音频效果器

1、摘 要高质量的数字音质和音频处理日益需要，本文介绍数字音频效果器的基本原理，采用美国飞思卡尔公司的24bit高性能DSP芯片DSP56374以及凌云逻辑公司的AD/DA芯片CS4220为音频编/解码器进行高质量的数字音频处理。文中详细阐述了基于DSP56374的硬件电路的设计和系统软件设计，并对音频效果算法进行分析和软件设计实现。同时介绍飞思卡尔56300系列DSP调试软件及调试方法。通过分析和试验，该电路系统有良好的音频处理、还原能力，通过各种软件的算法来得到满意的音频效果。关键词：DSP音频效果器；DSP56374；CS4220；ESAI / 文档可自由编辑打印AbstractHigh quality audio effect and audio processing is needed. In this paper the some audio effect implement and fundamental is analyzed. The system use FREESCALE high performance 24 Bit DSP called DSP56374.Usin

2、g CRYSTAL inc audio CODEC CS4220.The design of hardware and software is introduced particular , and the arithmetic implement of audio effect is describe and analyzed deeply. FREESCALE 56300 series DSP debug is introduced. Through the system analyse and examination, its proved system has high-blooded ability of audio effect and perform. Its get the expect audio by software adjusting.keywords：DSP audio effect ；DSP56374；CS4220；ESAI目录第一章 概述1第二章 方案对比32.1方案1：TI的音频DSP解决方案32.2方案2：MOTOROLA音频的DSP解决方案32.3两

3、系统方案的比较42.4最终系统组成：52.4.1音频编解码芯片52.4.2主控芯片62.4.3电源管理62.5方案框图6第三章 运用DSP56374音频处理的实现83.1DSP56374原理及构成83.256374的内核特点93.2.156K系列的核心93.2.2内部存储结构93.2.4PLL时钟产生123.356374外围接口123.3.1ESAI123.3.2JTAG14第四章 音频编码器（CODEC）164.1CS4220简介164.2-立体声ADCDAC164.3串行音频接口时序174.4输出低通滤波器18第五章 控制系统195.1主控MCU195.2调试MCU（DEBUGGER）195.3JTAG调试接口电路21第六章 具体电路设计与分析226.1电源电路226.2DSP部分226.3CS4220编解码器部分23第七章 DSP软件实现、算法以及调试257.1怎样实现音频效果处理257.2音频效果器的种类267.2.1非线性处理267.2.2均衡器（EQ、equalizer）287.2.3延时反馈347.2.4混响357.2.5声激励37第八章 调试、试验结果38第九章 毕业设

4、计总结40致谢41参考文献42附录A 名词解释：44第一章 概 述在过去20年中数字音频技术已经取得了长足的进步。从20年前首先引入的激光唱盘（CD）开始，进而发展到DVD音频唱盘和 MP3 多媒体播放器，数字形式的音频技术越来越流行。可是一旦音频信号离开存储媒体，如何对它们进行处理呢？它们是如何到达系统的输出端的呢？数字音频处理是对音频信号（一般是20Hz20KHz范围）数字化，量化采样后进行储存，变换，处理，和影像的数字化相比，声音的数字化要简单一些。我们知道，音频信号是一条幅度和频率随时间变化的正弦波，通过采样将模拟的音频信号变成数字信号。多声道是为了还原录音现场各个方向上声音的差异。人的耳朵有两只，通过接收不同方向上的声音信号，人的大脑就可以辨别声源的位置。声道越多带给人听觉上的现场信息也就越多，更能有身临其境的感觉。描述数字化音频好坏的标准有采样频率和量化精度，例如我们常听的CD唱片是基于44KHZ采样频率和16bit量化精度得来的，采样频率越高，最终播放的声音所能还原的音频的高音上限越高，采样精度（位数）越高，音频的还原越真实。当今人们已经对音频质量的要求越来越高，立体声1

5、6位的CD音质存在、发展了20年，已经不能满足当今对多声道，高品质音质的追求，随着专业音频领域和家用、汽车音频等应用，高性能、高质量的音频处理需求也日益增长。从前的音频处理都是模拟电路、芯片来担任处理任务，精度有限，动态范围小，在70dB以下，噪音大，功能单一等，无论是专业音频领域还是家用音频都有局限性。 将DSP用于音频处理最早在90年代中期，当时PC机处理能力比较低，PC机的多媒体系统音频还原处理任务都由声卡来担任，一些公司纷纷生产集成了DSP的高处理能力声卡，创造了当时16Bit高品质的声音处理、还原。90年代末随着杜比环绕声Dolby AC-3, DTS等多声道数字音源的出现和普及，影院以及家庭影院音频已经不能脱离数字处理，DSP在其中的角色也显得重要起来。 DSP最大的优势在于它的高速运算能力和可编程能力，DSP在硬件上针对运算采取了一些独特的设计，追求最快的运算速度，所以特别适合与信号的实时处理。当今使用C/C语言和先进的编译器以及C代码的可移植性和复用性大大提高了开发速度，降低了开发成本。同样DSP的发展也基本上遵循摩尔定律。由于目前通用的DSP芯片已经比90年代时的价格

6、下降了很多，24位定点DSP大都在10美元以下，所以在音频处理乃至各种信号处理领域中DSP比起ASIC（特殊功能专用芯片）还是有一定的优势的。DSP的音频应用在于家用消费类音响产品，更多的用于专业音频领域，如数码录音，混音，专业数字效果器等录音室的设备。许多音乐家，作曲家，乐手以及录音师都需要多种复杂的音频效果。实时的音乐效果是他们最需要的 。图 1.1 乐器用效果器BOSS GT5如图1.1为罗兰公司2000年推出的一款数字效果器BOSS GT5，在当时是的高端效果器的。价为7000人民币。图 1.2机架式效果器DIGTECH 2120国外的数字效果器已经趋于成熟，但是售价都很贵，而国内目前还没有自己知识产权的数字效果器，在硬件的设计和软件的算法上还不是很成熟，所以开发研究数字效果器有很大的意义，有一定的市场价值。第二章 方案对比2.1 方案1：TI的音频DSP解决方案目前在国内DSP的开发工具和资料比较详细的就是TI公司的DSP芯片了。常用的芯片有 TMS320VC33(浮点) 和TMS320VC5402(定点)，在音频方面TI最新推出了 TMS320C5405，它专注于超小体积应

7、用 。 TI的C5405采用77mm封装，面向要求小尺寸、低功耗和低价位的系统如手机附件、耳机和助听器等。据TI表示，C5405可提供最高达80M MAC的实时信号处理能力，并可以使系统处于空闲状态时的功耗降至最低。该器件基于C54 DSP内核，片上特点包括32K字节的RAM、两个多通道缓冲串行端口、一个8位主机端口接口总线、两个16位定时器和一个六通道DMA控制器。该器件的占位面积只有49平方毫米，而同类解决方案则为144平方毫米，从而使尺寸缩小了66%。由于个人、便携电子产品的尺寸不断缩小，封装尺寸和功耗变得越来越重要。 C5405与其它C54 DSP代码兼容，从而可以从其它系统移植软件并节省工程时间。这种兼容性使工程师能够利用C5416 DSP起步工具DSK一种为有经验的设计人员和新手提供的简单开发平台，立即启动节能型产品的创新工作；也可以利用Spectrum Digital的软件兼容的C5402评估模块(EVM)进行应用开发。2.2 方案2：MOTOROLA音频的DSP解决方案MOTOROLA在嵌入式领域的开发生产已有多年的经验，在世界上MOTOROLA的汽车微控制器排名第一，

8、DSP排名第二，MCU总体排名第二。在专业的音频领域，MOTOLORA的DSP占有一定的地位和优势。美洲市场上的顶级多声道放大器几乎全部采用了摩托罗拉的芯片作中心DSP，如麦景图，金嗓子，安桥等名牌功放。早在2001年MOTOLORA就推出了与Intel 奔腾 4 代的芯片制造工艺， 即0.18m制造工艺的音频DSP芯片DSP56367。飞思卡尔（原MOTOROLA半导体部）最新推出的了音频专用芯片DSP56374，它同时含有片上ROM和RAM。 采用0.13m制造工艺，1.25V的核心电压。DSP56374兼具DSP的性能和较低的价格，面向要求占位面积较小的汽车应用。它基于飞思卡尔的Onyx内核，号称在150MHz的时钟频率下速度达到150MIPS。该器件包含18K24 RAM、28K24 ROM、带有56位累加器的24位MAC，累加器在必要时可以提供双精度模式。DSP56374还具有一个六通道DMA控制器、三重定时功能、双增强型串行音频接口和一个内置振荡电路。 DSP56374具有极高的性价比。它与该公司的56000和56300系列DSP代码兼容，允许代码复用，使客户能够显著缩短新

9、产品的上市时间。DSP56374具有声音均衡和音频信号延时功能，因此在汽车应用中，可根据具体的车款或乘员所处的位置提供度身定制的“智能”音频。该器件还能使迷你家庭影院、DVD、书架式影院系统以及下一代电视平台具有高质量的音频。DSP56374的占位面积很小，这对空间非常宝贵的汽车应用而言非常重要。该公司数字音频、无线及信息通信业务部(DART)副总裁兼总经理Bill Pfaff表示：“我们又一次推出了采用小外形封装的优异产品。DSP56374难以置信地在如此低的价位上结合了高速度、大容量存储器、全面的外围接口和信号处理能力。” DSP56374是一款经过客户验证的产品，并计划在2005年通过全面的AEC汽车质量认证。DSP56374能执行各种音频均衡算法、压缩、扬声器补偿、音调控制和音量调节功能，还能执行存在ROM内、由飞思卡尔采用广泛认可的即插即用软件架构开发的各种音场处理算法。另外，某些类型的ROM版本器件还存有Dolby Pro-Logic IIx和DTS Neo:6等矩阵解码器。客户还可通过把软件下载到板上RAM开发自己的软件。 2.3 两系统方案的比较但在研究别的音频设备的时候我就发现那些产品中几乎就没有用TI的DSP的，而且TI的DSP多用在语音通讯方面，在这种专业级的音频设备里它似乎没有什么地位。而摩托罗拉的DSP在专业级的音频设备里就享有很高的声誉，正如著名的数字音响模拟器百灵达v-Amp 2.0用的就是摩托罗拉的音频专用DSP dsp56364。 图 2.1 数字音响模拟器百灵达v-Amp 2.0由于DSP是整个效果器里最核

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