（电路与系统专业论文）dsp数字音效处理系统的算法研究与系统实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 j 随着d s p 理论的日益完善及d s p 芯片技术水平的不断提高，音频信号的数字 效果处理有了飞速的发展，音效系统的d s p 实现已成为一个重要的研究方向。d s p 数字音效处理系统较之模拟音效处理系统具有高度集成、设计灵活方便、可靠性高、 可编程控制等优点。本课题是与武汉艾立卡电子有限公司的合作项目，课题的研究 目标是设计并实现一个以d s p 为基础的数字音效处理系统，该系统包含合唱、镶边、 混响、均衡、失真等多种音响效果。 本文研究的重点是设计具有较高性价比的d s p 数字音效处理系统，研究并实现 数字音效处理算法的数学模型。假章首先通过分析系统指标要求及系统设计需要注 意的问题，提出了以m o t o r o l a d s p 5 6 3 6 2 为核心实现数字音效处理系统的设计方案。 然后从算法、硬件和软件三方面着手进行具体的系统设计。在数字音效算法方面， 文中以混响算法为例，在前人算法理论的基础上，对混晌模型进行了深入的分析和 研究，提出并设计了新的算法模型。在硬件设计方面，对于本系统中涉及到的 d s p 5 6 3 6 2 电路设计、1 2 s 音频连接协议、a d 和d a 转换电路设计、s r a m 和f l a s h 接口电路以及外围控制接口电路的设计进行了详细的讨论。同时在软件设计方面， 为了适应复杂的控制操作，在借鉴了l ac o s i i 嵌入式操作系统的原理基础上，本 文详细讨论并设计了自己的内核程序，此外，对于d s p 系统的引导和初始化模块以 及具体的算法模块也进行了分析和论述。文章最后对整个系统研究工作进行了总结， 对相应的部分给出了测试结果，并提出了完善意见，指明了系统今后开发的方向。专 、 关键词：数字音效处理；混响算法；d s p 5 6 3 6 2 ：e s a i 接口；嵌入式内核 一_一 j 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fd s pt h e o r ya n dp r o g r e s so fd s p i ct e c h n o l o g i e s d i g i t a la u d i os i g n a lp r o c e s s i n gh a sd e v e l o p e d i nah i g hs p e e d b e s i d e s ，d s pb a s e da u d i o e f f e c t s p r o c e s s i n gs y s t e mh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c t c o m p a t e du 7 i l h a n a l o ga u d i oe f f e c t sp r o c e s s i n gs y s t e m ，d s pb a s e da u d i oe f f e c t sp r o c e s s i n gs y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g hi n t e g r a t i o n ，f l e x i b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n dp r o g r a m m a b i l i t y c o o p e r a t e dw i t hw u h a ne l e c ae l e c t r o n i c sc o m p a n y , t h i sp r o j e c t a i m st o d e s i g n a n d i m p l e m e n tad s pb a s e da u d i oe f f e c t sp r o c e s s i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e s as e ! i e so f e f f e c t ss u c ha sd e l a y , c h o r u s ，f l a n g e r , r e v e r b e r a t i o n ，d i s t o r t i o n ，e q u a l i z a t i o na n ds o1 ) 1 1 t h ei n v e s t i g a t i o ni s m a i n l yf o c u s e do nt h ed e s i g no fah i g hp r i c e p e r f o r m a n c e d s p b a s e dd i g i t a la u d i oe f f e c tp r o c e s s i n gs y s t e m ，a n dt h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o n o f m a t h e m a t i c a lm o d e lf o r d i g i t a l a u d i oe f f e c t s p r o c e s s i n g a f t e ra n a l y z i n g l h e r e q u i r e m e n t so f t h ew h o l es y s t e ma n dt h ep r o b l e mt h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o nt o ，t h i s p a p e rp r o p o s e dad i g i t a la u d i oe f f e c t sp r o c e s s i n gs c h e m e b a s e do nm o t o r o l ad s p 5 6 3 6 2 t h e n ，d e t a i ld e s i g n sa b o u ta l g o r i t h m ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ew e r ef u l l yd i s c u s s e d a st b l + d i g i t a l a u d i oa l g o r i t h m s ，w et o o ke x a m p l eo fr e v e r b e r a t i o na l g o r i t h ma n dd i dad e e p a n a l y s i sa n d r e s e a r c ho fr e v e r b e r a t i o nm o d e lb a s e do nt h ep r e v i o u sa l g o r i t h m sm o r e o v e r o u ro w nm o d e l sa r ea l s op r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rm a k e sad e t a i l e dd i s c u s s i o n u p o n ag o o dm a n y p r o b l e m si nt h eh a r d w a r ed e s i g no fs y s t e m ，i n c l u d i n gd s p 5 6 3 6 2 1 z s b u ss p e c i f i c a t i o n ，a da n dd ac o n v e r t e rc i r c u i t s ，s r a ma n df l a s hi n t e r f a c e a n d p e r i p h e r a l c o n t r o li n t e r f a c e n e x ti nt h e p a p e r , b y t h er e f e r e n c eo ft h e1 1c o s - 1 1 e m b e d d e do p e r m i n gs y s t e m ，d e t a i l e dd i s c u s s i o no fo u ro w nk e r n e ls o f t w a r eh a sb e e n p r o p o s e df o rt h ea c c o m m o d a t i o no ft h ec o m p l e xc o n t r 0 1 b e s i d e s ，t h eb o o t l o a d e ra n d i n i t i a l i z a t i o no ft h ed s p s y s t e m ，a n dc o n c r e t ea l g o r i t h md e s i g n sh a v ea l s ob e e na n a l y z e d i nd e t a i li nt h ee n d ，as u m m a r yh a sb e e np r o p o s e da n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n d i m p r o v e m e n t sa r ep r o v i d e df o l l o w e db y t h ef u t u r er e s e a r c ho b j e c t k e y w o r d s ：d i g i t a la u d i o e f f e c t sp r o c e s s i n g ：r e v e r b e r a t i o nd s p 5 6 3 6 2 e s a li n t e r f a c e ：e m b e d d e dk e m e l 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 d s p 数字音效处理的背景 早期的音效处理系统采用模拟的方式处理音频信号，仅能实现一些简单的音乐 效果如用弹簧实现的混响效果、用b b d 延迟器件实现的延时合唱效果、用真空 管实现的失真效果等1 1 1 。且基于模拟电路的音效器普遍存在体积大、功能少、性能 指标低、易产生噪声以及成本高等缺点。 数字化是技术发展的潮流，音频数字化也是发展的必然趋势。随着d s p 理论的 二l 益完善及v l s i 水平的不断提高，音频信号的数字处理已经成为发展方向。特别 是上世纪9 0 年代以来。d s p 芯片技术的飞速发展，为音效处理的数字实现奠定了 良好纳基础。柏形之下，模拟方式的音效处理系统集成度低，灵活性差，以及开发 周期长、成本高等缺点越来越明显。因此，音效系统的d s p 实现已成为一个重要的 研究方向。 数字音效系统就是利用d s p 技术模拟各种自然效果的系统。在实际生活中，除 了符合建筑声学标准的录音室、音乐厅等以外，一般的室内都很难追求到音质及效 果的先美，而数字音效处理系统就能重现这种完美。从理论上讲，厅堂的自然效果 与各种模拟效果的本质特征并不一样，但是人耳对声音有着一定的分辨惰性，正是 山于这一点，使得通过各种方式模拟出来的效果可以达到非常逼真的程度。 使用d s p 不但可以为回声、合唱、混响等各种人工效果的生成提供有力的手段， 同时还可以方便地实现模拟方式难以解决的诸如动态范围控制、噪声抑制等问题，并 且d s p 以其灵活性为产品的适应性升级提供了可能，大大的减少了开发周期和花费。 基于d s p 的数字音效处理系统与模拟音效处理系统的具体比较如表1 1 1 。 1 2 国内外研究现状 目i j 国内d s p 的应用主要集中在语音信号的识别和处理以及m p 3 的解码，而 基于d s p 的专业数字音效处理产品主要由美国和日本研制和生产，国内音响厂商和 科研单位尚未见有自主知识产权的研究成果或产品出现，以d s p 为基础的数字音效 处理系统在国内基本上还是一片空白。 _-_-_- l 华中科技大学硕士学位论文 表i - 1 1d s p 数字音效处理系统与模拟音效处理系统的比较 采_ h j 的解决方案基于d s p 的数字音效处理系统 模拟音效处理系统 功能多样化苴一 体积小较大 性能指标高低 系统集成度高低 灵活性灵活方便差 开发周期较短较长 可靠性较高 较低 成本较低较高 在美国和日本，有多个公司致力于d s p 数字音效处理系统的开发和生产，如美 国的c r a t e 公司、日本的z o o m 公司等。下面简要的介绍两款优秀的d s p 音效处理 产品。 首先介绍一下美国c r a t e 公司生产的c r a t e 数字音箱，c r a t e 数字音箱是模拟音 箱与i ) s p 数字音效处理系统相结合的产品，输入音箱的模拟音频信号先送入前级的 d s p 数字音效处理系统，进行延时、混响、合唱、镶边、均衡、失真等多种音效的 数字处理后再送入音箱的模拟功放和扬声器产生丰富的音效输出。c r a t e 数字音箱的 处理器采用的是a d 公司的a d s p 2 1 0 31 6 位通用d s p ，核心的音效处理算法固化 在d s p 内部的r o m 中，a d 和d a 都是1 6 位，采样率为3 1 2 5 k h z ，在低廉价格 的基础上达到了相当好的音色1 2 i 。由于d s p 音效处理系统具有高度集成、设计灵活 方便、可靠性高和可编程的诸多优点。模拟音频产品内嵌d s p 数字音频处理系统的 方案得到了广泛的应用，使原来模拟产品的优秀音质得到保留的同时增加了产品的 功能和灵活性。 z o o m 5 0 5 吉他音效器是日本z o o m 公司研发的一款销售成绩最好的d s p 效果 器，它的设计迎合了众多的吉他手的要求，集成了6 组2 4 种不同风格的原厂音效， 包括压缩、哇音、失真，均衡、合唱、混晌等，可以同时串联使用其中的9 种不同 的音效，并且用户可以利用编辑功自e 创造基于原厂啬效的2 4 种个性化的音色效果。 z o o m 5 0 5 吉他效果器采用z o o m 公司自行开发的z f x 2 专用d s p 芯片，核心的音 2 华中科技大学硕士学位论文 效处理算法固化在芯片内部的r o m 中。z o o m 5 0 5 的a d 和d a 也是1 6 位，采样 率为3 1 2 5 k h z ，音色达到了相当的水准1 3 1 。z o o m 5 0 5 由于采用了d s p 的数字处理 解决方案，使其在具有多种集成音响效果的同时仅有1 4 5 m m ( d ) 1 2 5 m m ( w ) x 4 0 m m ( h ) 的小巧体积，并且价格较低，深受广大电吉他爱好者的青睐。 从以上两种国外d s p 音效处理产品的介绍可以看出，作为产品核心的音效处理 算法都固化在芯片内部的r o m 中，作为不对外公开的知识产权加以保护。 1 3 课题简介 本课题是与武汉艾立卡电子有限公司的合作项目。课题的目标是研制出以通用 d s p 为基础的数字音效处理系统，系统需要包含合唱、镶边、混响、失真、均衡等 1 7 种不同风格的音效，并可以同时串联使用其中的6 种不同的音效，同时用户还可 以利用编辑功能创造基于原始音效的多种个性化的音色效果。这套系统将具体应用 于艾：皇卡公司的吉他效果器和数字音箱产品上。 系统的原型框图如图1 3 1 所示 , i - 6 1 。 电吉他模拟 声音信号 后级功放电路 数字音效处理系统 j 鳘i1 - 3 - i 基于d s p 的数字音效处理系统原理框图 d s p 数字音效处理系统的研究涉及了多学科的交叉知识，它的研发难点主要有： 建立正确的音效处理模型； 根据最高性价比进行方案设计和器件选型； 掌握d s p 的专用汇编语言进行编程； 复杂系统的内核软件设计。 3 华中科技大学硕士学位论文 i b 于国内在数字音效处理系统的研究基本上是一片空白，而国外公司的相关音 效处j 里算法模型和源码都是保密的，因此我们只能通过互联网查阅分析各种公开的 音效处理模型，从中建立自己的音效处理模型，这将是一项非常艰巨的任务。 d s p 数字音效处理系统包括的主要器件有数字信号处理器d s p 、音频a d 和 d a 、r a m 、r o m 及外围处理器。以上主要器件的选择决定了d s p 音效系统的性 能和价格，为了使该系统在市场上有竞争力，我们必须以最高的性价比来确定开发 方案。在了解目前市场上同类产品的性能价格和所用器件的基础上我们需要对系统 的各个硬件提出指标要求。在查询它们的市场价格和生命周期的基础上，综合性能 和价格两方面的因素来进行主要器件的选型和丌发方案的确定。 山于本系统对d s p 程序容量和处理的实时性要求较高，因此我们只能采用d s p 的专用汇编语言进行编程，这给我们的开发增加了很多困难。 ，j 外，本系统需要实现1 7 个音效算法并且要支持6 个音效串联使用，因此整 个系统比较复杂。如何设计系统内核对这些算法进行合理调度是一个非常关键的问 题。 在后续五章中，将对本系统作详细的阐述： 第二章主要论述系统的总体方案设计； 第三章以混响算法为例详细介绍算法研究的过程； 第四章详细介绍d s p 数字音效处理系统的硬件电路设计； 第五章详细介绍系统软件设计的各个部分； 第六章对系统的研制工作进行总结，给出相关部分的测试结果，并提出系统 的改进意见。 华中科技大学硕士学位论文 2 系统方案设计 系统方案设计应该要综合考虑到技术的可行性、系统的复杂度和实用性，同时 还要百一定的创新思想。本章本着这样的设计思路，首先介绍系统的指标要求，接 着根锯这些指标提出系统设计需要注意的问题，然后针对这些问题对系统方案进行 充分的比较和论证，最后确定最优方案，并给出了该方案的具体架构。 2 1 系统指标要求 根据合作方的要求，本系统完成后要达到的性能指标如下： 丌发的吉他音效处理系统以d s p 为基础对电吉他信号进行数字音效处理，产 生合唱、混响、均衡、失真等多种效果。输出的声音达到c d 音质以上的高保真品质。 吉他音效处理系统由6 个音效处理模块组成，每个模块内含2 4 种音效处理 算法，具体分布如下： 压缩模块( c o m p r e s s o r 、w a l l ) 失真模块( o d 、a c o u s t i c 、d i s t 、m e t a l 、b l u e s ) z n r a m p 模块( n o i s e r e d u c t i o n 、a m p l i f i e r ) 均衡模块( 4 b a n de q 、p h a s es h i f t ) 调制模块( c h o r u s 、f l a n g e r 、p i t c hs h i f t ) 延时混响模块( d e l a y 、h a l l r e v e r b 、r o o mr e v e r b ) 6 个模块可以单独使用也可以串连使用。 音效处理模块串连后产生的混合音效模式可以通过旋钮进行选择，选择好的 混合音效模式由2 个l e d 数码显示器表示，并可以通过手动控制来开启关闭单独 的音效模块及改变音效模块的参数，另外对于个人编辑好了的特色组合音效模式还 可以存储起来供以后直接调用。 以最高性价比进行方案设计，芯片批量采购成本控制在2 3 美元以内。 2 2 系统设计的注意事项 根据以上的具体性能指标要求。同时考虑到数字音频处理系统的特殊性，在设 汁系统方案的时候，需要注意到下面几个问题。 _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ - _ 5 华中科技大学硕士学位论文 首先需要注意的是商保真音质问题。先看看c d 音质的具体指标，如表2 1 1 。 表2 - 2 ic d 音质的指标 指标c d 音质 频率范围 2 0 h z 2 0 k h z 信噪比9 0 d b 动态范围9 0 d b 采样频率4 4 1 k h z 量化位数1 6 位 从表中可以看出，一个达到c d 音质以上的数字音频系统，其采样频率至少为 4 4 1 k t t z ，至少需要9 0 d b 的系统动态范围，量化位数至少为1 6 位，因此在方案设 计u 需要保证从前级的a d 到核心的d s p 到后级的d a 各个部分都符合这些要求。 另一个问题就是音频处理的实时性问题。c d 音质的采样率为4 4 1 k h z ，而高品 质的数字音频的采样率甚至达到4 8 k h z 。对于这么高的采样率，两个采样点之间的 时问间隙只有2 0 u s 多一点，也就是醴系统必须在2 0 u s 左右的时间内完成音频流的所 有音效算法处理才能保证其实时性。而在本系统中音效算法不但多，而且比较复杂， 因此这就要求作为核心器件的d s p 应该具有足够高的运算速度以确保系统的实时性。 最后一个问题是字长问题。数字音频处理系统的动态范围与所用器件的字长位 数有直接的关系嗍。图2 2 1 比较了常见的1 6 位、2 4 、3 2 位字长的动态范围和羹化 等级。 3 2 位 图2 - 2 11 6 位、2 4 位、3 2 位字长的动态范圈和量化等级比较 6 华中科技大学硕士学位论文 扶图中可以看出，1 6 位字长的动态范围为9 6 d b ，满足c d 音质要求的9 0 d b 以 上的要求。但是仔细分析后可以发现，核心处理器采用1 6 位的定点d s p 是不够的， 因为在音频的处理过程中1 6 位的d s p 必然会因为数据截断、圆滑或者运算的溢出 而产生噪声，从而降低整个系统的动态范围，因此考虑到字长问题，系统需要选用 动态范围足够的d s p 。 由以上几点可以看出，系统中d s p 和a d 、d a 器件的选择非常关键，直接影 响到最终的系统指标，因此需要慎重考虑。以上分析的几个问题将指导我们对系统 方案进行论证。 2 3 方案论证 奉系统主要的部分有通用数字信号处理器d s p 、a t ) 和d a 、外挂r a m 、f l a s h 以及外围控制系统。方案论证的目的就是比较不同的选择方案，最终确定一种在满 足系统要求前提下具有最高性价比的方案。我们在了解目前市场上同类产品的性能 价格和所用器件的基础上，计算了本系统要达到指标要求所需要的d s p 运算速度和 运算精度、a d 和d a 的位数和采样率、需要的硬件资源( 如r a m 、r o m 、i o 接 口等) ，并查询了他们的市场价格和生命周期，在综合了性能和价格两方面因素的基 础上进行了主要器件的选型及开发方案的确定。 经过长时间的资料收集及市场调研，可供本系统选择的开发方案主要有以下几 种： 基于t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的方案 表2 - 3 1t id s p 方案的器件及价格 主要器件价格( 美元) d s p ：t m s 3 2 0 v c 5 4 0 25 6 6 加位a d ：p c m l 8 0 0 2 9 7 2 4 位d a ：p c m l 7 4 41 2 6 r a m ：6 4 k 1 6 s r a m2 7 5 f l a s h ：s s t - 3 9 l v 0 1 0 1 0 0 外围控制3 0 0 总计1 6 6 4 华中科技大学硕士学位论文 t id s p 的优点是速度快、内存资源比较丰富，5 4 0 2 的运算速度为1 0 0 m i p s ， 具有1 6 k 1 6 位的内部r a m ，这对加快数据处理速度、提高系统性能非常有用， 并且一q 以减少外挂r a m 的容量，节约产品成本，降低系统的复杂度。 在本系统中t id s p 的最大缺点在于这是一款1 6 位的定点d s p ，根据前面的分 析，如果直接用1 6 位进行运算处理是达不到系统性能要求的，而若要提高系统的动 态范i 目，就必须在程序上进行双精度运算，即用两个1 6 位的数模拟一个3 2 位的数 据进行运算，这样程序会相应的变得复杂，虚拟的3 2 位处理器的运算速度也会比 1 6 位的实际处理器低很多，如一次3 2 位3 2 位的乘法将由四次1 6 位1 6 位乘法 实现”。 另外，这款d s p 并不是专门为音频处理而设计的d s p 芯片，它在和音频a d 、 d a 接时需要进行数据格式转换，比较麻烦。 基于m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 6 4 的方案 表2 - 3 - 2m o t o r o l ad s p 5 6 3 6 4 方案的器件及价格 主要器件价格( 美元) d s p ：m o t o r o l ad s p 5 6 3 6 4 6 0 0 2 0 位a d ：p c m l 8 0 02 9 7 2 4 位d a ：p c m l 7 4 41 2 6 r a m ：1 2 8 k 8s r a m2 2 5 f l a s h ：s s t - 3 9 l v 0 1 0 1 0 0 外围控制3 0 0 总计1 6 4 8 l v l o t o r o l a 的d s p 5 6 3 6 4 优点是具有1 0 0 m i p s 的处理速度，能保证音频的实时处 理，剧时，内部为2 4 位的数据总线，能保证d s p 有足够高的运算精度和动态范围。 并且，d s p 5 6 3 6 4 拥有专门的特色音频接口e s a i 接口，这个接口使得其与音频 a d 、d a 的连接十分方便。另外d s p 5 6 3 6 4 的价格低廉，具有较高的性价比。 d s p 5 6 3 6 4 的缺点是其内部只有3 k x 2 4 位的r a m ，其中程序r a m 只有0 5 k ， 虽然可以通过设置变成1 2 5 k ，但是对于本系统所需要开发的复杂音效算法来说， 这点容量肯定不够将所有算法加载到d s p 内部。另外，作为d s p 5 6 3 6 2 的简单化产 品，其内部总线虽然是2 4 位的，但是外部总线却只有8 位，如果耍从外部r a m 中 华中科技大学硕士学位论文 获得2 4 位的数据就必须进行三次读取操作，这会降低系统的处理速度，提高系统的 复杂度1 9 1 。同时，也正是由于这一点，使得d s p 的程序r a m 无法进行外部扩展。 基于m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 6 2 的方案 表2 - 3 3m o t o r o l ad s p 5 6 3 6 2 方案的器件及价格 主要器件价格( 美元) d s p ：m o t o r o l ad s p 5 6 3 6 21 0 0 0 2 0 位a d ：p c m l 8 0 02 9 7 2 4 位d a ；p c m l 7 4 41 2 6 r a m ：6 4 k x 2 4s r a m3 7 5 f l a s h ：s s t - 3 9 l v 0 1 01 0 0 外围控制3 0 0 总计2 1 9 8 m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 6 2 是d s p 5 6 3 6 4 的增强版，它保留了d s p 5 6 3 6 4 的所有优点， 如高速的处理速度( 1 0 0 m i p s ) 、2 4 位的内部数据总线、增强型串行音频接口( e s a i ) 等。同时，和d s p 5 6 3 6 4 相比，d s p 5 6 3 6 2 的内部有1 4 k 2 4 位的r a m ，其中程序 r a m 有3 k 。并且可以通过设置将y 数据r a m 映射过来，使得其程序r a m 达到 5 k 。内部程序r a m 的扩大对于本系统来说是非常有用的，这使得将所有算法模块 加载到d s p 内部运行成为可能。另外，d s p 5 6 3 6 2 的外部总线也是2 4 位，配合2 4 位的外挂s r a m 的话，从外部获取2 4 位的数据就只需要一次操作，极大的提高了 系统的速度i ”l 。 对于d s p 5 6 3 6 2 来说，唯一的缺点就是价格较高，使得系统总成本比其他两个 方案高了5 美元左右。 对上面三种方案进行比较后可以发现：t id s p 的两个缺点对于本系统来说影响 太大，虽然有解决的办法，但这样必将造成系统性能的严重下降，同时增加了软件 编程的复杂度。而m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 3 6 4 ，虽然位数和音频接口都符合要求， 但是内部程序r a m 的缺乏对于本系统来说却是致命的，且不能通过外部扩展r a m 来解决，因此这个方案也是不可取的。反观m o t o r o l a 的d s p 5 6 3 6 2 ，以上的这些问 题都不存在，虽然相对来说价格稍贵，使得系统成本比其他方案更高，但还是在系 统方案要求的2 3 美金以内。综合考虑这些因素后。我们决定采用d s p 5 6 3 6 2 方案作 为本系统的最终方案。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 4 系统架构 系统方案确定后，系统的架构也就基本确定了，如图2 - 4 1 所示l 。 电 = l 口 他 输 入 - 输 出 到 功 放 | 芏l2 - 4 - i 占他晋效处理系统框图 系统的核心器件d s p 5 6 3 6 2 具有1 0 0 m i p s 的运算速度，这使得d s p 在4 8 k h z 的采样频率下对每个采样值可以进行2 0 0 0 余条指令的处理，能实现诸如混响、均衡 等多种复杂的数字音效算法的实时处理。同时其2 4 位的内部数据总线提供了富余的 4 8 d b 动态范围以保证经过一系列的音效处理算法后系统的动态范围仍然符合要求。 另外，d s p 5 6 3 6 2 具有特色的e s a i 接1 3 可以支持i 2s ，s o n y ，a c 9 7 等协议，通过 这些协议它可以方便的与音频a d 、d a 直接连接。 本系统采用的a d 是p c m l 8 0 0 ，它是双通道2 0 位4 模数转换器，具有9 5 d b 的动态范围，采样率可选为3 2 k h z 、4 4 1 k h z 或者4 8 k h z i ”j 。这些性能指标完全符 合系统设计的需要，可以保证本系统从前级开始就建立起动态范围为9 5d b 、采样 率为4 8 k h z 的c d 级高保真音质，这是我们选择这款a d 的重要原因。 本系统的d a 采用的是p c m l 7 4 4 ，这是一款2 4 位的立体声音频数模转换器， 其动态范围为9 5 d b ，采样频率最高可达9 6 k h z l i ”。从这些性能指标可以看出，这 款d a 不但可以与核心处理器d s p 5 6 3 6 2 的位数保持一致而且可以保证系统的处 理精度和噪声门限不下降，这样就使得整个系统都满足c d 级高保真音质的要求。 由于p c m l 8 0 0 和p c m l 7 4 4 都支持i 2 s 协议，因此d s p 的e s a i 接口通过这个 协议与它们进行音频传输i “i 。 系统中的外挂r a m 选用的是g s i 的g s 7 1 0 2 4 ，这是一款2 4 位的s r a m ，由于 与d s p 的外部数据总线位数相同，因此接口非常方便，同时采用2 4 位的r a m 能 极大的提高系统访问外部数据的速度。 华中科技大学硕士学位论文 作为保存系统最终运行程序的f l a s hr o m ，我们选择的是s s t 公司的 3 9 l v 0 1 0 。这款f l a s h 的容量为1 2 8 k 字节，对于本系统来说这已经足够了。 系统架构确定后，对于整个系统开发来说。下面就需要进行系统算法研究、硬 件设汁和软件设计了。 i l 华中科技大学硕士学位论文 3 混响算法研究 本系统中包含多个音效模块，如合唱、混响、均衡等等。由于国内在数字音效 算法研究上的空白及国外对相关音效算法模型的保密，我们只能通过查阅和分析各 种公7 f 的音效算法模型，从中研究并设计自己的音效算法模型。这是整个系统实现 过程中的一个重点和难点。本章以混响算法为例，来说明整个算法研究设计的过程。 3 1 背景介绍 在进行具体算法设计以前先简单的介绍混响的原理及前人在混响算法方面的研 究情况。 3 11混晌的基本原理 混响是种自然的声学效果，这种效果一般通过特殊的建筑声学设计得到。如果 在混响室里产生一个声音，那么这个声音将带来大量的间隔非常短的回声，这些回 声是由于声音在房间的墙壁、地板和天花板等表面反射而产生的邮l 。如图3 1 1 。 j 茎i3 - ! - j 混响胸产生 山于通过了较长的传播路程，经过反射后的声波将比直接传播的声波延时一段 时i b j 进入人耳，且由于墙壁等反射面和空气的吸收作用，这些反射波的幅值要比直 传波小，另外，经过一次反射的声波还可能经过多次反射后才被听到。混响就是在 这一系列的经过多次反射、延时和衰减的声波共同作用下产生的。 合适的混响不仅可以让人生成空阈感，而且可以美化声音、掩盖乐器噪声，并 能增强响度和音节的连贯性，使乐音更融合1 1 6 l 。但显然，固定的声学设计无法满足 现代多功能音乐厅所担负的不同声乐、听众对最佳混响效果的要求。而传统上采用 在室内布置不同吸音系数的反射板方法不仅麻烦，而且难以调节到最佳效果。因此 华中科技大学硕士学位论文 随着人们对高品质音乐需求的同益增长，采用人工混响算法的方式根据需要得到不 同厅啦的临场感无疑是最好的解决方案。 棍响算法可以通过两种不同的方式实现。一种是物理逼近方式，这种方式通过 人工重建一个真实房间的精确混响来实现。为此，这种方式需要通过虚拟房间的几 何模型来计算它的冲击响应。尽管这种方式可以逼真的产生混响效果，但它需要的 计算量太大了，对于实时生成算法来说不够灵活有效。另一种是听觉逼近方式，通 过算法产生与自然混响没有听觉差异的人工混晌。这种算法只是重建自然混响的重 点部分，因此比物理逼近的方式更有效。目前大部分混响算法采用的都是听觉逼近 的方式1 ”l 。 1 人 幽3 一i 2 湔响的冲击响应 混响的冲击响应如图3 - 1 2 所示，其中直达信号是声源不经过任何障碍物直接 到达人耳的那部分，其传播路径较短。所以能量损失少，幅度很强；前期反射是由 次或几次反射的声音信号所组成，此时声音的谱线离散，能量由于声音与反射面 的碰撞有所减少；后期混响是由于声音经过了多次反射叠加在起而造成的，声音 能量呈指数递减，此时的谱线不再离散。而成为连续谱。 由混响的冲击响应图可以看出，混响算法的设计主要分为两个部分：一部分产 生有限数量的离散回声，这部分主要与声源、听者及各反射面的方位有关，可以通 过对被模拟房间的几何模型的计算来得到；另部分生成以指数形式衰减的高密度 凹声，这是混晌算法研究设计的重点。 3 1 1 2 早期的简单混晌算法 早期的混响算法是由贝尔实验室的s c b , r o e d e r 提出的，他设计的混响算法包含两 个i i r 滤波器：梳状滤波器和全通滤波器。 梳状滤波器就是一个带后向反馈的延时电路，其原理框图、冲击响应和频率响 应如图3 1 3 所示。 一 1 3 华中科技大学硕士学位论文 xy ifi jo 0r n 2 m3 m4 m5 n i 00020 ，0 o s0 607 n o r m a l i z e df r e q u e n c y ( x - r d a m p i 町 瞄3 - - 3 梳状滤波器特征 鳘 山冲击响应图中可以看出，梳状滤波器的幅度是随时间以指数形式衰减的，这 点与实际混响的特性一致，但是其回声密度太低，且不随时间的增长而加强，这就 与实际不相符合了，另外它的频谱呈明显的梳状滤波特性，这样对于不同的频率就 会产生幅度的颤动，从而使得处理后的声音有染色效应。s c h r o e d e r 擂出这样设计出 来的混日向算法回声密度低，声音颤动，且很容易产生金属声，让人很难受i l ” 为了解决梳状滤波器的这些问题，s c h r o e d e r 又设计出了全通滤波嚣全通滤波器 是一个带有前向反馈支路的梳状滤波器，其原理框图、冲击响应及频率晌应如图3 - 1 4 。 x g y 口 m 叼n i u 拍 n f r e q u e n c y 图3 - 1 4 全通滤波器特征围 一_一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 山滤波器的冲击响应可以看出，其幅度的衰减仍然是指数式的，且从频谱图上 可以看 i ，全通滤波器的频响是一个常数，这样就不会产生染色现象。但是单个全 通滤波器匹l 声密度仍然不高，且是周期性的，会产生明显的声摆效应。虽然回声密 度可以通过多个滤波器级联来得到提高。但是这样设计的算法产生的效果与实际的 混响还是有很大的不同的，仍然存在回声密度比实际混响效果要小的多的问题，并 且实防，的混响音效产生的多次反射波到达人耳的时间间隔是逐渐减小的，而这种简 单模型产生的多次反射波到达人耳的时间间隔是相同的。 为了达到真实混响的效果，s c h r o e d e r 提出了他最著名的一种设计，通过使用并 联的梳状滤波器和串联的全通滤波器来建立混响模型，如图3 1 5 所示。 x 幽3 - 1 5s c h r o e d e r 混晌模型 y 在这个混响模型中，并联的梳状滤波器的目的是提供混晌效果中延迟较长的回 声，但艺不能产生足够的回声，因此在梳状滤波器的并联输出后面级联了全通滤波 器序列，延时较短的全通滤波器可以大大增加回声密度，同时对声音也不会有任何 染色效应。 尽管s c h r o e d e r 的这个算法在当时是一个突破，但是它产生的效果离真实的混响 效果仍然有一定的差距。m o o r e 后来在验证这个算法的时候就曾指出：这个模型产 生的回声密度还是不够，对于短促声音的响应很差，声音衰减时存在声摆现象，并 h 在混响时问较长的时候衰减期会有金属音。也就是说s c h r o e d e r 算法的后期混响 部分仍然留有人工修饰的痕迹1 1 9 1 。m o o l e 针对这些问题在这个算法的基础上进行了 一些改进，比如增加梳状滤波器的个数以提高回声密度，在反馈环路上插入低通滤 波器以模拟空气对频率成分的吸收，加入抽头延时线以更好的模拟早期反射声音， 等等a 这个改进算法产生的混响效果比s c h r o e d e r 的要更真实得多，但是依然存在 _-_-_一 1 5 华中科技大学硕士学位论文 着对于短促声音的响应很差等问题。 尽管如此，s c h r o e d e r 的混响算法仍然具有重要的意义，他提出的滤波器和算法 设计思路为后面的混响算法设计奠定了坚实的基础。 下面就根据前面的介绍从多个方面进行混响算法的研究和设计。 3 2 前期反射模型 3 2 1 源镜像法模型 i j 期反射主要是生成一些离散回声，这部分的模型主要与声源、听者及各反射 面的力位有关，可以通过对被模拟房间的几何模型进行推导来得到，推导的方法主 要为源一镜像法和射线跟踪法，本系统中采用源一镜像法进行推导1 2 0 。 源一镜像法将一个房问看作多个声学反射镜，被反射的声源就相当于两个声源， 其中原始声源在墙的前面，而镜像声源在墙的后面。采用源一镜像法需要找出在指 定的最远距离内的所有虚拟镜像源，从这些镜像源到听者的所有传播路径就决定了 这个房间的前期回声响应。图3 2 1 是源一镜像法的示意图，房间里面有一个声源 和一个听者，图中标出了一些临近的虚拟镜像源，从听者的角度来看，被墙壁反射 过来的声音就像是从镜像声源传过来的。 图3 - 2 1 源一镜像法示意图 源一镜像法对于在任意多边形的房间里确定虚拟镜像源会比较复杂，但是用这 种方法进行建模的过程却是非常容易理解。 一 1 6 华中科技大学硕士学位论文 32 2 前期反射的f i r 滤波器设计 采用这种方法建模后，为了生成离散回声，每个虚拟镜像源到听者的路径需要 对应一个f i r 滤波器。每个f i r 抽头的延时长度与相应的虚拟镜像源到听者之问的 声音皓播距离一致，而其系数大小通常与距离成反比。由于墙壁材料有一个反射系 数，因此所有的反射都将让虚拟镜像源的幅度衰减。 没声源、听者及反射面等位置关系如图3 2 2 ，则可通过以下公式确定f i r 滤波 器各参数： 圈3 - 2 - 2 位置关系示意图 f i r 抽头的延迟时间t = 生! c ( 3 - 2 1 ) f i r 抽头的增益系数a = 之( 3 - 2 2 ) 盯 其中r 为声源到昕者的距离，d 为虚拟镜像源到听者的距离，c 为声速，e 是虚 拟镜像源相对于声源的衰减系数，该系数由以下公式确定： e 2 兀一 ( 3 - 2 3 ) i = l s 为声音传播过程中碰撞到的墙壁的数目，e 为第i 面墙的反射系数。 3 2 3f i r 滤波器的优化 采用上述方法