基于DSP的数字效果器的研究

摘要：提出了一种基于TMS320VC5402的音频信号处理系统。介绍了该系统的总体方案和硬软件设计，并对音频信号的处理算法进行了论述。实际使用证明，所述的基于DSP的硬件和软件系统是一个很好的音频信号采集与处理系统。
关键词：音频信号 音频效果 数字信号处理在调音台和各种音响设备上，效果器是一种不可缺少的设备。有了效果器，才有了声音的千变万化。高质量的效果器能达到令人满意的效果，使人有身临其境的感觉。现在效果器上的效果种类越来越多，有的多达几十种。实际上从声学原理考虑，一共只有五种基本效果：
（１）延时／延迟类（包括延时、延迟、混响、残响等），
（２）压缩类（包括噪声门、均衡器等），
（３）失真类（包括各种失真、金属、“脏”效果器等），
（４）合唱类（包括立体声、镶边、八度器等），
（５）滤波器（包括哇音、相位等）。

目前国内的效果器市场多被国外产品所垄断，价格昂贵。国产的效果器又多为模拟实现，成本高、损耗大、干扰大、稳定性差，且参数不易修改。而基于ＤＳＰ的数字效果器，是一种具有内置的数字接口且可进行数字音频处理的音响系统，它能克服以上缺点，达到令人满意的效果。


１ 系统总体方案音频信号处理系统如图１所示，整个系统由单片机ＭＣＵ、数字信号处理器ＤＳＰ、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器、外扩存储器、显示屏和键盘等组成。其中ＭＣＵ作为主机，整个系统的初始化和控制都由它来完成。ＤＳＰ作为从机，主要完成音频信号的算法处理，实现各种效果。而ＬＥＤ则把通过键盘控制的各种效果及其参数显示出来，以便工作人员及时调整和修改。由于ＤＳＰ内部存储器较小，不能满足系统数据和程序存储需要，所以需要外扩存储器。
系统工作时，输入的音频信号是模拟信号，经过高精度、高速度的ＡＤＣ转换之后得到一串数字信号，分帧送入到波形输入缓冲区ＲＡＭ。然后经过ＤＳＰ内部高速处理，通过各种算法实现各种效果。经过处理的音频信号再输入到高精度、高速度的ＤＡＣ转换器中，还原成模拟的声音信号，经音响功率放大电路放大输出。
为了实现音效的实时处理，加入了缓冲区。系统中各模块是同时进行处理的，一部分信号正在ＡＤＣ中进行转换，而另一部分信号则正在ＤＳＰ处理器中进行算法处理。整个系统以流水线方式进行工作，保证了对音效的实时处理。

２ 系统硬件电路的设计ＤＳＰ芯片选用美国ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２（以下简称‘Ｃ５４０２），单片机选用ＰＩＣ１６Ｆ７２，Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器选用２４位的ＣＳ４２２８Ａ，其较宽的动态范围能够满足高保真的音频系统的要求。
２.１ ‘Ｃ５４０２
‘Ｃ５４０２是ＴＩ公司于１９９９年１０月推出的性价比较高的定点数字信号处理器，主要特点如下：
·具有先进的多总线结构，三条１６位数据存储器总线，一条程序存储器总线和四条地址总线；
·操作速率达１００ＭＩＰＳ；

·４０位算术逻辑单元（ＡＬＵ），包括一个４０位桶形移位器和两个４０位累加器；

·一个１７×１７乘法器和一个４０位专用加法器，允许１６位带／不带符号的乘法；
·整和维特比加速器，用于提高维特比编译码的速度；
·８个辅助寄存器及一个软件栈，允许使用最先进的定点ＤＳＰ、Ｃ语言编译器；
·数据／程序寻址空间为１Ｍ×１６位，内置４Ｋ×１６位ＲＯＭ和１６Ｋ×１６位ＲＡＭ；
·内置可编程等待状态发生器、锁相环（ＰＬＬ）时钟产生器、两个多通道缓冲串行口、一个８位与外部处理器通信的ＨＰＩ口、两个１６位定时器以及６通道ＤＭＡ控制器；
·低功耗，工作电源为３Ｖ和１．８Ｖ（内核）。
ＤＳＰ通过其ＭｃＢＳＰ口与ＣＳ４２２８Ａ相连。ＭｃＢＳＰ串口是在ＴＤＭ串口和ＢＳＰ串口的基础上发展而来的。它既可以实现时分多路通讯功能，又可以通过ＤＳＰ提供的ＤＭＡ功能实现不用ＣＰＵ参与的自动缓存功能，从而把 ＤＳＰ从繁重的串口通讯中解放出来，提高了运行的效率。ＭｃＢＳＰ串口由数据接收发送部分、时钟及帧同步信号产生器、多通道选择以及ＣＰＵ中断信号和ＤＭＡ同步信号等组成。同以前的串口相比，ＭｃＢＳＰ串口具有相当大的灵活性。串口的接收和发送时钟