（控制理论与控制工程专业论文）基于dsp的数字效果器的研究.pdf

摘要 摘要 当我们处在一定的环境中说话时，听众听到的不仅仅是我们说话的原音，还 包括很多经过反射后延时、衰减的声音，也就是说我们的声音有了一定的效果。 有时候这种效果是回声，有时候这种效果是混响，这与我们所处的环境有关。有 了效果的声音，更加圆润饱满，悦耳动听，尤其是在讲话、唱歌和乐器演奏的场 合，我们都要人为的加入一定的效果，效果器就是来完成这个任务的。效果器就 是把输入信号，即人说话、唱歌、演奏乐器的原音，经过一定的处理再输出来， 达到模拟各种环境下的效果。简单说来，效果器就是在自然环境不满足的条件下， 仍能产生人们想要的各种效果，使人有身临其境的感觉。现在的效果器常用在录 音设备、调音台和电吉他效果器上。尤其是随着人们物质文化水平的提高，欣赏 音乐的人越来越多，对效果器的需求越来越多，而且越来越严格。 本文研究设计的基于 d s p的数字效果器，采用数字信号处理的方法，对输入 信号进行高速处理，实时的产生各种常用的效果，并具有效果可选、参数可调、 使用方便直观的特点，可用在调音台和电吉他效果器上。本文首先介绍了一般数 字信号应用系统的开发工具及流程，使对数字信号应用系统的开发有一个整体的 了解;然后详细介绍了基于d s p的数字效果器的硬件和软件设计，硬件方面，采 用了t i 的t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片， 充分利用了它的片内资源并扩展了必要的 外部器件;软件方面，详细的分析了各种效果的产生原理及实现过程，并给出相 应的c语言实现程序，还介绍了d s p系统硬件、软件设计的技巧和方法，以及一 些常见问题的原因和解决办法。最后，本文还介绍了d s p系统的引导模式、过程 及实现，使本系统能够脱离开发环境，完成自动上电引导，构成一个独立的系统。 本系统目前在实验室已调试完毕，系统的各项性能指标基本上都能满足用户 的要求，具有很好的实用性和推广价值。 关键词d s p;效果器 ;延时 ;合唱 ;混响 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e l i s t e n e r s c a n h e a r n o t o n l y t h e s p e a k e r s d i r e c t v o i c e , b u t a l s o t h e r e fl e c t i o n s , w h i c h i s d e l a y e d a n d d e c a y e d v o i c e , w h e n t h e s p e a k e r s p e a k i n g i n t h e s p e c i a l s i t u a t i o n . t h a t i s t o s a y , t h e s p e a k e r s v o i c e i s b e i n g w i t h s o m e e f f e c t s . t h e e f f e c t s m a y b e e c h o , o r r e v e r b e r a t i o n , o r a n y o t h e r e l s e , i t i s d e p e n d e d o n t h e s i t u a t i o n t h a t t h e s p e a k e r l i v e s . t h e v o i c e w i l l b e f r u i t y , f u l l , a r i o s o a n d f a i r - s o u n d i n g w i t h t h e e f f e c t s , e s p e c i a l l y w h e n s p e a k i n g , s i n g i n g a n d p l a y i n g t h e m u s i c a l i n s t r u m e n t s . s o w e a d d s o m e a r t i f i c a l e f f e c t s t o t h e v o i c e , t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t i s j u s t t o d o t h i s . t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t p r o c e s s e s t h e i n p u t s i g n a l s , t h e v o i c e o f s p e a k i n g , s i n g i n g o r p l a y i n g t h e m u s i c a l i n s t r u m e n t s , a n d t h e v o i c e o f t h e o u t p u t i s b e i n g w i t h a l l k i n d s o f e f f e c t s , j u s t a s t h e s p e a k e r s p e a k i n g i n a s p e c i a l s i t u a t i o n . a l l i n a l l , t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t c a n r e d u c e a l l k i n d s o f e f f e c t s t h a t p e o p l e e x p e c t e d , w h e n i t i s i m p o s s i b l e i n p r a c t i c e , b u t t h e l i s t e n e r h a s t h e f e e l o f b e i n g p e r s o n a l l y o n t h e s c e n e . t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t i s a p p l i e d i n r e c o r d , a t t u n e a n d e l e c t r i c g u i t a r . n o w , w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e p e o p l e s l i v i n g o f s u b s t a n c e a n d c u l t u r e , t h e r e a r e m o r e p e o p l e e n j o y t h e m u s i c , t h e r e q u i r e m e n t s t o t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t a r e m o r e s t r i c t . t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t b a s e d o n d s p d i s c u s s e d a n d d e s i g n e d i n t h i s a r t i c l e c a n p r o c e s s t h e i n p u t s i g n a l f a s t a n d r e d u c e a l l k i n d s o f e f f e c t s i n t h e m e t h o d o f d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s . i t h a s t h e c h a r a c t e r s o f t h e k i n d a n d t h e p a r a m e t e r s c a n b e s e l e c t e d t h r o u g h t h e k n o b s , a n d u s i n g e a s i l y . i t c a n b e a p p l i e d i n a t t u n e a n d e l e c t r i c g u i t a r . f i r s t l y , t h e a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e t o o l s a n d fl o w o f t h e g e n e r a l d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s s y s t e m, a n d t h e r e a d e r w i l l h a v e a w h o l e c o n c e p t o f t h e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s s y s t e m . s e c o n d l y , t h e a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e h a r d w a r e a n d s o f t w a r e o f t h e d i g i t a l a u d i o e f f e c t b a s e d o n d s p i n d e t a i l . i n t h e h a r d w a r e , t h e c p u i s t i s t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2 c h i p , m a k i n g f u l l u s e o f t h e o n - c h i p r e s o u r c e a n d e x t e n d i n g s o m e n e c e s s a r y f u n c t i o n ; i n t h e s o f t w a r e , i t i n t r o d u c e s t h e t h e o r y a n d a p p l y o f a l l k i n d s o f e f f e c t s , a t t h e s a m e t i m e , i t s h o w s y o u t h e c c o d e . i n t h i s d e p a r t m e n t , i t a l s o i n t r o d u c e s t h e s k i l l s a n d t h e m e t h o d s w h e n d e s i g n t h e d i g i t a l s i g n a l p e o c e s s s y s t e m, a l s o w i t h s o m e r e a s o n s a n d m e t h o d s t o g e n e r a l p r o b l e m s . a t l a s t , t h i s a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e b o o t l o a d m o d e l s , p r o c e s s e s a n d a p p l i e s o f t h e d i g i t a l s i g n a l p e o c e s s s y s t e m. wi t h t h e b o o t l o a d , t h e d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s s y s t e m c a n b e b r o k e n a w a y f r o m t h e d e s i g n s i t u a t i o n s a n d c a n b e u s e d i n d e p e n d e n t l y . n a b s t r ac t t h i s s y s t e m h a s b e e n d e b u g g e d i n l a b , a n d i t s p e r f o r m a n c e i s u p t o s c r a t c h . t h i s s y s t e m c a n b e u s e d p r a c t i c a l l y a n d w i d e l y . k e y w o r d s d s p; d i g i t a l a u d i o e f f e c t ; d e l a y; c h o r u s ; r e v e r b i ii 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 “ a ik 日 期 : 年zli a/ 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在_年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密do ( 请在以上相应方框内打 “了”) 作者签名 导师签名 41 : 才* 4 : d vp 4- 年e/l iq/ 日 ” 叶 年 “ 尸 日 第一章 绪论 第一章 绪论 1 . 1课题的背景 随着人民生活水平的提高， 欣赏音乐的人越来越多， 效果器的市场越来越大。 但遗憾的是，现在国内的效果器市场，被国外产品所垄断，其昂贵的价格令人望 而却步，所以有必要研制我们自己的效果器。 考虑到成本问题及开发工具的价格问题， 我们选用通用型、 高速的d s p芯片; a / d , d / a转换必须选用音频领域的专用芯片，以保证其转换的精度、速度及信噪 比;效果要包含常用的延时、合唱和混响三大类效果，而且效果及效果参数要可 调 。 1 . 2数字效果器的国内外现状 大家知道，拉胡琴或拉小提琴时，演奏者常常将捺弦的左手指在弦上故意的 作抖动使发出的声音随之微微颤抖，听起来很优美，这种添加的声音就称为效果。 又如卡拉 o k演唱者通过混响器之后的声音，变得丰满、宽广，这种混响也是效 果。效果有增润音色和改变音色的作用，效果器就是专用于产生以上各种效果的 电子仪器。它的作用是通过改变原有声音的波形，调制或延迟声波的相位、增强 声波的谐波成分等一系列措施，来产生各种特殊的声效。 效果装置最早出现于电子风琴中，是电子风琴的重要组成部分。早期的电子 风琴用测簧装置产生混响。利用一组旋转的扬声器和一组固定的扬声器的相对运 动，产生回旋音响。又在电子线路中用附加的振荡器调制音频电讯号，产生颤震 音。人们将这些效果装置提取出来，加以改进与发展， 单独制成混响器 ( r e v e r b ) , 延时器 ( d e l a y ) 、 移相器 ( p h a s e r ) 、弗兰格 ( f l a n g e r ) 等效果器， 用于电 吉他或 其他电声乐器演奏摇滚乐。近年来，效果器不断的创新、发展，形成多达十余种 的一个系列，供各种摇滚乐队不同风格流派选用。人们又在电子音乐合成器的基 础 上 ，设计成功用于电吉他的各种合成器，从而使摇滚电吉他与电子音乐合成器 “ 并驾齐驱” 而又各自争辉，将摇滚乐推向崭新的境界。 目前，效果器的品种有增多的趋势，为适应各种流派的摇滚乐队需要，同一 品种的效果器又分出许多花样规格，形式也多样化。有的效果器是直接安装在电 吉他上的;有的装在音箱里;有的制成挂在腰间使用;多数制成踏板式，各有它 华南理工大学硕士学位论文 的长处又各有不足。大家知道，电吉他乐手在演奏中，不能有瞬间的中断 ( 脱袖 子) ，除非乐曲标有休止符，否则是不能伸手去调校效果器的。实际使用过程中证 明，以脚踏式效果器最方便，尤以单个的踏板式效果器最受青睐，它可以自由组 合、 任意变化。 我国市场上常见的效果器品牌有雅马哈( y a ma h a ) , 博斯( b o s s ) , 依班挪 ( i b a n e z ) 、罗兰 ( r o l a n d) 、爱利亚 ( a r i a) 、 摇滚巨星 ( r o c k t e k) , 亚里安 ( a b i o n)等。有金属外壳和塑壳的，造型各异，品质与性能各有不同。 多数效果器与使用的电吉他和音箱有关，选购时必须确认电吉他与音箱良好，并 调到正常状态，才能作出比较。业余条件下选购效果器时应注意以下几点:( 1 ) 外观无损、文字清晰。( 2 )各开关、旋钮、插孔可靠、调整顺滑、有效。( 3 )效 果作用明显、音质好。无较大的杂音放置平稳 ( 脚踏式) 。 效果器远不止以上几种，在电子技术高度发展的今天，效果器引入了程序编 制系统，将三、四种常用的效果器合装于一机，用程序预编你所需的音色效果， 有的可编 1 0 种预选效果，使用时只需轻触按钮，设定的某种效果即可“ 读出” ，省 却了临时调校的麻烦。我们试将效果器的用法比作绘画。将各种效果器比作油画 色，用油画色作画的原理来说明效果器的调校方法，就比较容易理解了。画家绘 画时将不同颜色的油画色在调色板上进行调色，直到色彩合乎画中某种情调的要 求才进行绘画。而电吉他乐师或调音师则通过效果器调配出各种音色，然后进行 表演，以表达乐曲的某种感情。 1 . 3论文工作 完成基于d s p的数字效果器的硬件和软件设计，使系统能够对音频信号进行 采集和处理，并达到系统的各项性能指标。 第二章 d s p 系统设计介绍 第二章 。 s p 系统设计介绍 2 . 1 d s p 介绍 数字信号处理 ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ， 简称d s p ) 是一门 涉及许多学科而 又广泛应用于许多领域的新兴学科。 2 0 世纪 6 0 年代以来， 随着计算机和信息技术 的飞速发展， 数字信号处理技术应用而生并得到迅速的发展。 在过去的2 0多年时 间里，数字信号处理己经在通信等领域得到极为广泛的应用【， ， 。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字的形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的各种信号 形式。 早期的信号处理主要是采用模拟的处理方法， 包括运算放大电路、 声表面滤波 器以及电祸合器件等。 例如运算放大电路通过不同的电阻组配可以实现算术运算， 通过电阻、电容的组配可以实现滤波处理等。模拟处理最大的问题是不灵活、不 稳定。其不灵活性主要体现在对参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、 电容，并通过电子开关选通才能修改处理参数。其不稳定性主要体现为对周围环 境变化的敏感性，例如温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。 解决以上问题最好的方法就是采用数字信号处理技术。 数字信号处理可以通过 软件修改处理过程中的参数，因此具有很大的灵活性。由于数字电路采用了二值 逻辑，只要环境温度、电路噪声的变化不会造成电路逻辑的翻转，数字电路都可 以不受影响地完成工作，因此具有很好的稳定性。目前，数字信号处理己经成为 信号处理技术的主流。 数字信号处理的主要缺点是处理量随处理精度、 信息量的增加而成倍增长， 解 决这一问题的方法是研究高速运行的数字信号处理系统。从信号的数字处理技术 的发展历程可以看出数字信号处理技术所涉及的范围是相当广泛的。在数字领域 中，微积分、概率统计、随机过程、高等代数、数值分析、复变函数、线性代数、 泛函分析等都是数字信号处理技术的分析工具。网络理论、图论、信号与系统均 是数字信号处理技术的理论基础。在学科发展上，数字信号分析处理又是现代控 制理论 ( 包括最优控制、人工智能、模式识别、神经网络、模糊控制) 、现代通信 理论、故障理论和现代测量等的理论基础。在算法的实现上 ( 无论是硬件还是软 件) ，数字信号处理技术和计算机科学及微电子技术密不可分。因此，可以说，数 字信号处理是把经典的理论 ( 如数字、系统)作为自己的理论基础，把现代计算 华南理工大学硕士学位论文 机技术、微电子技术作为技术支撑的一门新兴学科。同时，它又是许多新兴学科 的理论基础，并与它们相互交叉、相辅相成、相互促进。 在阐述数字信号处理系统设计之前， 有必要先明确信号、 系统与信号处理的定 义，弄清它们之间的关系。 信号是信息的载体。 所谓信息是指人类对外界事物的感知。 人类在不断地进步， 对信息的表达、获取、传递的能力也在不断地发展。从远古时代的手势、烽火、 击鼓、旗语到今天的电报、电话、广播、传真、电视、多媒体网络，人们对信息 的表达越来越准确，获取手段越来越广泛，获取方式越来越先进，信息的传递也 越来越有效、可靠和迅速。 人们对信息的处理是通过对信号的处理来实现的。 通常把对信号进行处理的整 个设备称为系统。如果对信号的处理是通过模拟部件来进行的，则设备被称为模 拟系统;如果对信号的处理是通过数字部件进行的，则设备被称为数字系统。 信号的处理的本质是信息的变换和提取， 是将信息从各种噪声、 干扰的环境中 提取出来，并变换为一种便于人们认识、分析、判断、处理的信号。 信号处理，根据处理的目的可以分为:信号分析、信号变换和信号合成。信 号分析就是剖析输入信号的性质，提取其特征。例如，对输入信号施以傅立叶变 换，以搞清楚其频率特性的处理，或者是进行相关运算搞清楚周期性并提取周期 的处理，更进一步，对声音信号进行线性预测运算以提取咽喉形状，都是属于信 号分析部分。信号变化就是按照某种 目的改变输入信号的形状以得到所需要的输 出信号。为除去频带外杂音用的滤波器、为补偿唱片上记录的信号频率特性用的 均衡器都是信号处理器。为传输、记录对信号加调制、解调是信号的变换处理。 信号合成是指根据输入信号来获得输出信号的处理，像语音合成，它是把由信号 分析结果获得的咽喉形状作为输入信号，来获得语音输出，这种处理是典型的信 号合成。 2 . 2 d s p 特点 d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o r ) 也可以 代表为数字信号处理器，是一种适合 于进行实时数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数 字信号处理算法。实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的处理 运算。为了快速实时的完成数字信号处理运算，d s p芯片一般应具有这样一些特 点: 首先，d s p芯片采用改进的哈佛结构。 计算机的总线结构可分为两种。一种是冯 诺依曼结构，其特点是程序和数 据共用一个存储空间。统一编址依靠指令计数器提供的地址来区分是指令数据还 第二章 d s p 系统设计介绍 是地址。由于对数据和程序进行分时读写，执行速度慢，数据吞吐量低，随着半 导体工艺的飞速发展，逐步克服了这一缺陷。同时，由于冯 诺依曼结构使计算 机结构得到简化，它成为了计算机发展的一个标准。但由于原理上的特点，这一 结构并不适合于进行具有高度实时要求的数字信号处理。另外一种结构为哈佛结 构，与冯 诺依曼结构相比，其主要特点是程序和数据具有独立的存储空间，有 着各自独立的程序总线和数据总线，显然这使计算机的结构变得复杂。但是由于 可以同时对数据和程序进行寻址，大大地提高了数据处理能力，非常适合于进行 实时处理的数字信号处理系统。 t i 公司的d s p芯片结构是基本哈佛结构的改进类 型。改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一改进允许 数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性。 只要调度好两个独立的总线就可使处理能力达到最高，以实现全速运行。改进的 哈佛结构还可使指令存储在高速缓存中，省去了从存储器中读取指令的时间，大 大提高了运行速度。 其次，d s p指令系统是流水线操作。 在流水线操作中，一个任务被分解为若千个子任务，各个任务可以在执行时 相互重叠。d s p指令系统的流水线操作是与哈佛结构相配合的，增加了处理器的 能力，把指令周期减小到最小值，同时也就增加了信号处理器的吞吐量。以t i 公 司的t ms 3 2 0系列产品为例，第一代 t ms 3 2 0处理器采用了二级流水线操作;第 二代产品采用了三级流水线操作:第三代 d s p芯片采用了四级流水线操作。有的 芯片己经达到了六级流水线操作。 第三，采用专用的硬件乘法器。 在一般的计算机上，算术逻辑单元 ( a l u)只能完成两个操作数的加、减及 逻辑运算，而乘法 ( 除法)则由加法和移位来实现。因此它们实现乘法运算就比 较慢，但在数字信号处理运算中，一般的算法中都有大量的乘法运算存在。在算 法上减少乘法运算次数的同时，与一般的计算机不同，数字信号处理器都有硬件 乘法器。 第四，特殊的d s p指令。 d s p芯片的另一个重要特征是有一套专门为数字信号处理而设计的指令系 统，比如有乘加指令。 第五，快速的指令周期。 c mo s技术、 先进的工艺、 集成电路的优化设计及工作电压的下降 ( 由5 v到 3 . 3 v ，再到 1 . 8 v) ，使得 d s p芯片的主频不断提高。目前 t ms 3 2 0 c 6 0 0 0系列及 t ms 3 2 0 c 5 0 0 0 系列的芯片的最高工作主频已经达到2 0 0 mh z , 指令周期己经降到了 5 n s 。可以预见，随着微电子技术的发展，工作频率还将继续提高，指令周期将进 一步缩短。 华南理工大学硕士学位论文 第六，良好的多机并行运行特性。 t i 公司一直在追求卓越的单机处理能力。但在一定条件下，d s p芯片内的单 机处理能力是有限的， 系统的数据处理容量还是经常会超出单个d s p的处理能力。 随着数字信号处理器d s p 芯片的广泛使用和d s p芯片价格的不断下降， 多个d s p 芯片的并行处理己经成为近年来的研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。多机并 行类似于高性能的mp u巨型机。 t i 公司的t ms 3 2 0 c 4 x 系列还提供了专门用于多 个d s p并行运行的硬件通信接口。 第七，大电流。 高速信号处理芯片全速运行时电流经常在 1 a以上。 第八，低电压。 为了在大电流下减少系统功耗， 系统的工作电压从标准的5 v降到3 .3 v , 2 . 5 v , 1 . 8 v，甚至是 0 . 9 v. 第九，高度集成。 芯片的集成度在数十到数百万门量级。 第十，为了提高运行速度而采用了多种并行的体系结构。 2 . 3 d s p 分类 总的来说，d s p芯片可以分为定点 d s p芯片和浮点 d s p芯片两大类。这是 根据d s p芯片工作的数据格式来分类的。 数据以定点格式工作的d s p芯片称为定 点d s p 芯片， 如t i 公司的t ms 3 2 0 c 2 0 0 0 系列、 t ms 3 2 0 c 5 0 0 0 系列、 t ms 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中的 t ms 3 2 0 c 6 2 x x 等。数据以浮点格式工作的称为浮点 d s p芯片，如 t i 公 司的 t ms 3 2 0 3 x / 4 x , t ms 3 2 0 c 6 0 0 0系列中的 t ms 3 2 0 c 6 7 x x 等。此外，按照 d s p 芯片的用途来分，可分为通用型d s p芯片和专用型 d s p芯片。专用型 d s p芯片 已 经将算法固化在芯片中， 完成特定的功能， 如f f t算法等。 而通用型d s p 芯片 是用户可编程的，可以用来实现各种数字信号处理算法。 衡量d s p 芯片性能的指标主要包括: ( 1 ) d s p 芯片的运算速度; ( 2 ) d s p芯片的运算精度; ( 3 ) d s p芯片的软、硬件资源; ( 4 ) d s p芯片的功耗。 其中，d s p芯片的运算速度是d s p芯片的一个最重要的性能指标，也是选择 d s p芯片时所需要考虑的一个主要因素。 第二章 d s p 系统设计介绍 2 . 4 d s p 系统的构成 图 2 - 1示出了一个典型的 d s p应用系统i2 7 。图中的输入信号可以有各种各样 的形式。例如，它可以是麦克风输出的语音信号或是电话线来的已调数据信号， 可以是编码后在数字链路上传输或存储在计算机里的摄像机图像信号等。 图2 - 1 典型d s p 系统总体框图 f i g . 2 - 1 b l o c k s c h e m a t i c d i a g r a m o f t y p i c a l d s p s y s t e m 输入信号首先进行带限滤波和抽样，然后进行模/ 数 ( a n a l o g t o d i g i t a l ,a / d ) 变换将模拟信号变换成数字比特流。根据奈奎斯特抽样定理，为保持信息的不丢 失，抽样频率至少必须是输入带限信号最高频率的2 倍。 d s p芯片的输入是a / d变换后得到的以抽样形式表示的数字信号， d s p芯片 对输入的数字信号进行某种形式的处理， 如进行一系列的乘累加操作 ( ma c ) 。 数 字处理是d s p的关键，这与其他系统 ( 如电话交换系统)有很大的不同，在交换 系统中，处理器的作用是进行路由 选择，它并不对输入的数据进行修改。因此， 虽然两者都是实时系统，但两者的实时约束条件却有很大的不同。最后，经过处 理后的数字样值在经过数/ 模 ( d i g i t a l t o a n a l o g ,d / a ) 变换将数字比 特流转换为模 拟样值，之后再进行内插和平滑滤波就可以得到连续的模拟信号波形。 需要说明的是，上面给出的d s p 应用系统模型是一个典型模型，但并不是所 有的d s p系统都必须具有模型中的所有部件。如语音识别系统在输出端并不是连 续的波形，而是识别的结构，如文字、数字等;有些输入信号本身就是数字信号 了， 因此就不需要进行模/ 数转换了。 实际的d s p 应用系统， 要具体问题具体分析， 根据需要来扩展合适的外围功能。 华南理工大学硕士学位论文 2 . 5 d s p 系统设计流程 一个完整的d s p应用系统设计的一般过程， 要通过下面几步来完成， 如图2 - 2 所示。 d s p 应用 定义系统性能指标 d s p 算法模拟 选择d s p 芯片 软件编程硬件设计 软件调试 硬件调试 软、硬件系统集成 系统调试和测试 图2 - 2 d s p 系统设计的流程图 f i g . 2 - 2 f l o w d i a g r a m o f d e s i g n i n g d s p s y s t e m 第一步: 在设计d s p系统之前，必须根据应用系统的目标确定系统的性能指 标和信号处理的要求，通常可以用数据流程图、正式的符号或自然语言来进行描 述 。 第二步:根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的 最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理的方法的不同会导致不同 的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即 数字信号处理的算法，因此这一步也称为算法模拟阶段。例如，语音压缩编码算 法就是要在确定的压缩比条件下，获得最佳的合成语音。算法模拟所用的输入数 第三章 d s p系统设计介绍 据是实际信号经过采集而获得的，通常以计算机文件的形式存储为数据文件。如 语音压缩编码算法模拟时所用的语音信号就是实际采集而获得并存储为计算机文 件形式的语音数据文件。有些算法模拟时所用的输入数据并不一定要实际采集的 信号数据，只要能够验证算法的可行性，输入假设的数据也是可以的。 第三步: 设计实时d s p系统。 实时d s p系统的设计包括硬件设计和软件设计 两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成 本限制以及体积、 功耗等要求选择合适的d s p芯片。 然后设计d s p芯片的外围电 路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p芯片编写相应的 d s p汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可以用高级语言 编程 ( 如 c语言) 。由于现有的高级语言的编译器的效率还比不上手工编写的汇编 语言的效率，因此，在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言的混合编程 方法，即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运算量不 大的地方，则采用高级语言。采用这种方法，既可缩短软件开发的周期，提高程 序的可读性和可移植性，又能满足系统实时运算的要求。 第四步:d s p硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件 的调试一般借助于d s p开发工具，如软件模拟器、d s p开发系统或仿真器等。调 试d s p 算法时，一般采用比较实时结果和模拟结果的方法，如果实时程序和模拟 程序的输入相同，则两者的输出应该一致。应用系统的其他软件可以根据实际情 况进行调试。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真 器，且硬件系统不是十分的复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。 第五步:系统的硬件和软件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而 直接在应用系统上运行了。当然，d s p系统的开发，特别是软件开发是一个需要 反复进行的过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上 模拟环境不可能做到与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统 时必须考虑算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实 时运行，则必须重新修改或简化算法。 2 . 6 d s p 应用系统开发工具 可编程 d s p芯片的开发需要一整套完整的软、硬件开发工具。通常，d s p芯 片的开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类。 代码生成工具的作用是将用c 语言、 汇编语言或者两者的混合语言编写的d s p 程序编译、汇编并链接成为可执行的d s p程序，代码生成工具主要包括:c编译 器、汇编器和链接器等。此外，还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、 库生成和文档管理程序等。 华南理工大学硕士学位论文 代码调试工具的作用则是对 d s p程序及系统进行调试，使之能够达到设计目 标。t ms 3 2 0系列 d s p芯片的系统集成和调试工具主要有:c / 汇编语言源码调试 器、初学者i具d s k ( d e s i g n e r s s t a r t e r k i t ) 、软件模拟器 ( s i m u l a t o r ) 、评估模块 e v m ( e v a l u a t i o n mo d u l e ) 、软件开发系统s wd s ( s o f t w a r e d e v e l o p i n g s y s t e m) 和仿真器x d s ( e x t e n d e d d e v e l o p i n g s y s t e m ) 等。 1 9 9 9 年， t i 推出了c o d e c o m p o s e r s t u d i o( 以 下简称c c s ) 集成开发环境。 c c s的出现是d s p开发软件的一次革命性的变化。c c s 集成的源代码编辑环境， 使程序的调试与修改更为方便;c c s集成的代码生成工具，使开发设计人员不必 在 d o s窗口键入大量的命令及参数; c c s 集成的调试工具， 使调试程序一目了然， 大量的观察窗口使程序调试与修改得心应手。 2 . 7 本章小结 本章主要介绍了一些有关d s p的基本知识，使对d s p的概念、特点、发展、 分类、应用及其开发流程和系统结构有个整体的了解。本章介绍的内容，是 d s p 系统研发的基础。 第三章 基于d s p的数字效果器的硬件设计 第三章 基于d s p 的数字效果器的硬件设计 3 . 1系统要求 设计完成的基于d s p的数字效果器要达到以下一些要求: ( 1 ) 选用通用型 d s p芯片。 考虑到专用型d s p芯片价格昂贵、货源不够稳定，而且开发工具的价格也令 人难以接受， 所以选用通用型d s p芯片， 但效果质量要达到专用型d s p芯片的标 准。 现在通用型d s p 芯片有很多，比较有影响力的有t i , mo t o l o l a , a d等公 司的产品，而且国内作为t i 的第三方的公司也有好几家，都能提供很好的产品售 前和售后服务，并具有高质量的技术支持。所以选用通用型 d s p芯片来完成该系 统，具有广泛的应用背景。 ( 2 ) 4 4 . 1 k h z的采样率，并且信号能够实时处理。 由于人耳所能接受的最高频率为 2 2 k h z ，根据奈奎斯特定理，采样率要求达 到4 4 . 1 k。该产品主要用在电吉他效果器或调音台上， 所以对信号的处理， 要求必 须是实时。 ( 3 )信号动态范围在 1 0 0 d b以上。 采用高转换位数的a / d, d / a芯片，使系统对信号的处理达到高精度。 ( 4 )包含延时类、合唱类和混响类共 1 6种效果，并能够实现各种效果之间 的切换和效果参数可调。每种效果要有两个可调参数。三个旋钮的功能如表 3 - 1 所示: 表 3 - 1旋扭功能 t a b l e 3 - 1 f u n c t i o n o f k n o b 效果选择 参数设定 序号旋钮一旋钮二 旋钮三 1hallip re delay decay 2hall2p re de l ay decay 3p l ate1 p re de l ay de cay 4plate2 p re delay decay 5room 1 p re de l a y decay 6 room2p re delay decay 7c hor us s p ee d del ay 华南理工大学硕士学位论文 8f langers p eeddelay 9phas ers p eedfeedback 1 0delayipre delaydecay 1 1delay2pre delaydecay 1 2tremolos p eeddepth 1 3chor us / de la ys p eed delay 1 4f langer/ delays peeddelay 1 5chorus / re verssp eed decay 1 6f lange r / re ve rb sp eedcecay 3 . 2硬件结构框图 为了达到上述系统要求，完成相应的功能，设计实现的系统总体结构框图如 图 3 - 1 所示: 图3 - 1系统结构框图 f i g . 3 - 1 b l o c k s c h e m a t i c d i a g r a m o f s y s t e m 在本系统中， mc u作为主机， 完成整个系统的控制功能， 它接收来自 外部的 三个旋钮的参数，其中一个旋钮是效果种类选择开关，另两个旋钮是效果参数选 择开关，并负责把接收到的参数送给d s p ，使d s p按接收到的参数值，执行相应 的效果子程序，并赋予该效果对应的参数;mc u的另一个功能就是完成对a m, d / a转换芯片c s 4 2 2 8 a的初始化工作， 使c s 4 2 2 8 a能够按照设定的参数完成相应 的功能。 虽然d s p内部具有了程序存储器和数据存储器， 但由于本系统包含的效果种 类比较多，而且每个效果的算法又比较复杂，编写完成的程序代码比较长，使得 本系统所需要的程序存储器空间和数据存储器空间远远超过了d s p内部自身所带 第三章 基于d s p的数字效果器的硬件设计 有的空间，在这种情况下，我们必须对d s p芯片的程序存储器和数据存储器进行 适当的外扩，以满足系统对他们的要求。另外，d s p内部程序存储器空间里固化 了一个称为b o o t 的程序，在d s p上电复位后 ( mp / mc = o ) , d s p自动执行这段程 序，将外部 f l a s h内的程序读入 d s p内部或外扩的高速数据存储器空间中，来 完成d s p系统的引导工作。 3 . 3系统资源介绍 3 . 3 . 1 d s p 芯片 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 3 . 3 . 1 . 1 c p u 本系统用到的d s p芯片是 t ms 3 2 0 v c 5 4 0 2( 以下简称 v c 5 4 0 2 ) ，它的 c p u 结构特征如下: ( 1 ) 具有高性能的改进的哈佛总线结构， 即具有三条独立的 1 6 b i t 数据存储器 总线和一条 1 6 b i t 的程序存储器总线: ( 2 )具有一个4 0 b i t 的算术逻辑单元，包括一个4 0 b i t 的桶形移位器和两个独 立的加法器 ; ( 3 ) 1 7 * 1 7 b i t 的并行乘法器与专用的4 0 b i t 加法器相结合可以在一个非并行指 令周期内完成一次乘加操作; ( 4 )具有专用于v i t e r b i 蝶形运算的比较、选择和存储单元; ( 5 )操作速率达 1 0 0 mi p s o ( 6 )八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元，允许使用最先进的c语言 编译器; ( 7 ) 数据/ 程序寻址空fol 为 1 m* 1 6 b i t ，内置4 k * 1 6 b i t r o m和 1 6 k * 1 6 b i t r a m 空 间: ( 8 ) 内 置 可 编 程 等 待 状 态 发 生 器 、 锁 相 环( p l l ) 时 钟 产 生 器 、 两 个 多 通 道 缓冲串行口、一个 8 位