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分嶷号 u d c 遗 密级 学位论文 基于d s p 的数字音频信号处理 4 0 0 k b p s 编解码延时 最短 相对其它技术 此类压缩技术一般多用于语音压缩i 低码率应用 源信号带 宽小 的场合 对域压缩技术主要包括g 7 1i a d p c m l p c c e l p 以及在这些 技术上发展起来的块压扩技术如n i c a m 子带a d p c m s b a d p c m 技术如g 7 2 1 g 7 2 2 a p t x 等 2 予带压缩技术是以予带编码理论为基础的一种编码方法 子带编码理论最早 是由c r o c h i e r e 等于1 9 7 6 年提出的 其基本思想是将信号分解为着干子频带内的分 量之和 然后对各子带分量根据其不同的分布特性采取不同的压缩策略以降低码率 通常的子带压缩技术和下面介绍的变换压缩技术都是根据人对声音信号的感知模型 心理声学模型 通过对信号频谱的分析来决定子带样值或频域样值的量化阶数和 其它参数选择的 因此又可称为感知型 p e r c e p t u a l 压缩编码 这两种压缩方式相 对时域压缩技术而言要复杂得多 同时编码效率 声音质里也大幅提高 编码延时相 应增加 一般来讲 子带编码的复杂度要略低于变换编码 编码延时也相对较短 由于在子带压缩技术中主要应用了心理声学中的声音掩蔽模型 因而在对信号进 行压缩时引入了大量的量化噪声 然而 根据人类的听觉掩蔽曲线 在解码后 这些 噪声被有用的声音信号掩蔽掉了 人耳无法察觉 同时由于子带分析的运用 各频带 内的嗓声将被限制在频带内 不会对其它频带的信号产生影响 因而在编码时各子带 2 堕室墨三奎兰堡圭兰鱼笙壅 董王旦竺笪堕主童錾堕兰竺墨 的量化阶数不同 采用了动态比特分配技术 这也正是此类技术压缩效率高的主要原 因 在一定的码率条件下 此类技术可以达到 完全透明 的声音质量 e b u 音质标 准 子带压缩技术目前广泛应用于数字声音节目的存储与制作和数字化广播中 典型 的代表有著名的i d p e g 1 层到4 层 m u s i c a m 以及用于p h i l i p sd c c 中的 p a s c p r e c i s i o n a d a p t i v es u b b a n d c o d i n g 精确自适应子带编码 等 3 变换压缩技术与予带压缩技术的不同之处在于该技术对一段音频数据进行 线 性 的变换 对所获得的变换域参数进行量化 传输 而不是把信号分解为几个子频 段 通常使用的变换有d f t d c t 离散余弦变换 m d c t 等 根据信号的短时功率谱 对变换域参数进行合理的动态比特分配可以使音频质量获得显著改替 而相应付出的 代价则是计算复杂度的提高 变换域压缩具有一些不完善之处 如块边界影响 预回响 低码率时声音质量严 重下降等 然而随着技术的不断进步 这些缺陷正逐步被消除 同时在许多新的压缩 编码技术中也大量采用了传统变换编码的某些技术 有代表性的变换压缩编码技术有d o l b y a c 2 a t t 的a s p e c a u d i os p e c t r a l p e r c e p t u a le n t r o p yc o d i n g p a c p e r c e p t u a la u d i oc o d e r 等 1 2 3 音频压缩技术的标准化和i d p e g 1 由于数字音频压缩技术具有广阔的应用范围和彘好的市场前景 因而一些著名的 研究机构和大公司都不遗余力地开发自己的专利技术和产品 这些音频压缩技术的标 准化工作就显得十分重要 c m t v 现i t u n 在语音信号压缩的标准化方面做了大量 的工作 制订了如g 7 1 1 g 7 2 1 g 7 2 8 等标准 并逐渐受到业界的认同 在音频压缩标准化方面取得巨大成功的是m p e g 1 音频 i s o i e c l l l 7 2 3 在 m p e g i 中 对音频压缩规定了三种模式 即m p l 又称a s p e c m p 2 又称 m u s i c a l v l m p 3 由于在制订标准时对许多压缩技术进行了认真的考察 并充分考 虑了实际应用条件和算法的可实现性 复杂度 因而三种模式都得到了广泛的应用 v c d 中使用的音频压缩方案就是m p l 而m u s i c a m 由于其适当的复杂程度和优秀的声 音质量 在数字演播室 d a b d v b 等数字节目的制作 交换 存储 传送中得到广 泛应用 m p 3 是在综合m u s i c a m 和a s p e c 的优点的基础上提出的混合压缩技术 在 当时的技术条件下 m p 3 的复杂度显得相对较高 编码不利于实时 但由于m p 3 在 低码率条件下高水准的声音质量 使得它成为软解压及网络广播的宠儿 可以说 m p e g l 音频标准的制订方式决定了它的成功 这一思路甚至也影响到后面的忡e g 一2 和 p e g 4 音频标准的制订 1 3 音频媒体的三维化处理 长期以来 计算机的研究者们一直低估了声音对人类在信息处理中的作用 当虚 薹二童堡望 堡圭 苎 拟技术不断发展之时 人们就不再满足单调平面的声音 而更催向于具有空间感的三 维声音效果 听觉通道可以与视觉通道同时工作 所以声音的三维化处理不仅可以表 达出声音的空间信息 而且与视觉信息的多通道的结合可以创造出极为逼真的虚拟空 间 这在未来的多媒体系统中是极为重要的 这也是在媒体处理方面的重要措施 人类感知声源的位置的最基本的理论是双工理论 这种理论基于两种因素 两耳 间声音的到达时间差和两耳间声音的强度差 时间差是由于距离的原因造成 当声音 从正面传来 距离相等 所以没有时间差 但若偏右三度则到达右耳的时间就耍比左 耳约少三十微秒 而正是这三十微秒 使得我们辨别出了声源的位置 强度差是由于 信号的衰减造成 信号的衰减是因为距离而自然产生的 或是因为人的头部遮挡 使 声音衰减 产生了强度的差别 使得靠近声源一侧的耳朵听到的声音强度要大于另一 耳 基于双工理论 同样地 只要把一个普通的双声道音频在两个声道之间进行相互 混合 便可以使普通双声道声音听起来具有三维音场的效果 这涉及到以下有关音场 的两个概念 音场的宽度和深度 音场的宽度利用时间差的原理完成 由于现在是对普通立体声音频进行扩展 所 以音源的位置始终在音场的中间不变 这样就简化了我们的工作 要处理的就只有把 两个声道的声音进行适当的延时和强度减弱后相互混合 由于这样的扩展是有局限性 的 即延时不能太长 否则就会变为回音 音场的深度利用强度差的原理完成 具体的表现形式是回声 音场越深 则回音 的延时就越长 所以在回音的设置中应至少提供三个参数 回音的衰减率 回音的深 度和回音之间的延时 同时 还应该提供用于设置另一通道混进来的声音深度的多少 的选项 1 4 本课题主要研究内容 在近几年国内外大规模广播电视设备展览会上 数字非线性采 编 播设备扮演 着越来越重要的角色 国内电影电视界逐渐开始认识了解并采用了数字非线性设备 非线性编辑技术 融入了计算机和多媒体这两个先进领域的前端技术 集录像 编辑 特技 动画等多功能于一身 而数字音频的处理在非线性编辑中也起着相当重要的作 用 不过相对于起步较早的视频处理 它的难度更大 在调音台和各种音响设备上 效果器是 种不可缺少的设备 有了效果器 才有 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 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 t d s p 的数字 效果器 它能克服以上缺点 达到令人满意的效果 本课题的主要工作 堕塞墨三查堂堡主兰垡笙苎 苎王里竺塑墼兰童塑笪 旦丝翌 1 深入研究各种音频效果的概念及实现原理 设计基于d s p 的数字音频信号处 理方案 2 介绍d s p 系统的设计流程及c 5 4 0 2 d s p 的体系结构 利用m a t l a b 和c c s 的联合仿真来进行各种音频效果的可行性研究 分别给出在m a t l a b 和c c s 环境下 的仿真程序 最后给出仿真波形 3 介绍数字均衡器的原理和设计方法 并利用软件获得扬声器的频响曲线 编 写m a t l a b 仿真算法程序来实现数字均衡器对扬声器的频晌进行补偿 4 介绍以a t 8 9 c 5 1 为主的主系统和以t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为主的从系统设计 对人 机接口和存储电路的设计也作阐述 讲述立体声编解码器p c m 3 0 0 1 的基本结构 c 5 4 0 2 与p c m 3 0 0 1 的连接是通过m c b s p 口实现的 文中给出了m c b s p 口的介绍 和具体配置 最后给出了系统的主程序设计流程 苎三兰童墅笪量丝堡至丝 一一 j 生i 竺羔 2 音频信号处理系统 2 1 音频系统的组成 一般的音频系统由节目源系统 信号处理系统 扬声器系统 线材和环境系统组 成 节目源系统包括有调谐器 收音头 b 座 电唱机 l p 激光唱机 c d 激 光视唱机 l d 数字影音播放机 d v d 小影碟机 v c d 超级v c d 等 此外 随着计算机多媒体技术的发展 越来越多节目源由计算机输出 信号处理系统包括功率放大器 均衡器 压缩器 限制器 扩展器和噪声门等 对于现时流行的家庭影院系统 a c 3 a u d i oc o d e 3 解码器和d t s d i g i t a lt h e a t e r s y s t e m 解码器均属于信号处理系统 扬声器系统俗称音箱 主要由扬声器单元 俗称喇叭 分频器和箱体以及相应 的接线接插件构成 扬声器是音频系统的最后一个环节 也是最重要的环节 线材包括电源线 信号线 音箱线等 线材的主要功能是传输信号 当音频系统 的传输信号为模拟量时 好的线材能将能量的消耗 干扰 污染 失真等抑制到最小 但这样的线材价格昂贵 环境系统可以是听音室 视听室或电影院等 听音室长 宽 高尺寸应有合理的 比例 以消除驻波和让简振频率分布均匀为原则 合理的房间尺寸为良好的听音创造 了先决条件 但还必须有符合声学原理的装修 合理的声学结构应同时达到隔声 吸 声和声扩散二条要求 此外 音箱摆位与最佳听音位置也是昕音环境重要的 环 2 2 音频效果处理系统 音效处理属于信号处理系统 在介绍音效处理原理和方法前 有必要将有关数字 音频信号的有关概念阐述一下 2 2 1 数字音频文件存储格式 音频文件存储格式用来提供系统平台之间的兼容 使音频数据可以在存储后传送 或转移到其他系统上进行处理或重放 除了音频数据以外 一些文件格式还包括控制 数据 下谣介绍比较流行的音频文件存储格式 1 狡v 最常见的声音文件之一 是微软公司专门为w i n d o w s 开发的一种标准数字音频 文件 又称波形文件 该文件能记录各种单声道或立体声的声音信息 并能保证声 音不失真 但w a v 文件有一个致命的缺点 就是它所占用的磁盘空间太大 每分钟 的音乐大约需要1 2 兆磁盘空间 2 m i d m i d i 国际m i d i 协会开发的乐器数字接口文件 它采用数字方式对乐器所奏出来的声 音进行记录 每个音符记录为一个数字 然后在播放时再对这些记录进行合成 因 6 童塞里三查兰堡主堂堡塑苎 量王旦塑堕塑主童塑堕 堕 而占用的磁盘空间非常小 但其效果相对来说要差一些 一般来说 m i d 文件只适 合于记录乐曲 而不适合对歌曲进行处理 m i d 文件主要依靠硬件生成 依靠软件 合成m i d 文件的技术目前还不太完善 除正常的m i d 文件之外 它还有很多变种 如 r m i 女 c m i c m f 等 3 m p 3 目前最热门的音乐文件 采用m p e gl a y e r3 标准对w a v e 音频文件进行压缩 而成 其特点是能以较小的比特率 较大的压缩率达到近乎完美的c d 音质 其压 缩率可达l 1 2 左右 每分钟m p 3 音乐大约只需要1 兆的磁盘空间 正是基于这些 优点 我们可先将c d 上的音轨以w a v 文件的形式抓取到硬盘上 然后再将w a v 文件压缩成m p 3 文件 既可以从容欣赏音乐又可以减少光驱磨损 m p 2 采用m p e g l a y e r2 标准对w a v e 音频文件进行压缩后生成的音乐文件 除压缩率较低之外 1 6 其他方面与 m p 3 基本类似 丽 m p 4 文件则是采用m p e g 2a a c 3 标准对 w a v e 音频文件进行压缩后生成的 它在音质 压缩率等方面都较m p 3 有所改进 更重要的是它加强了对软件版权的控制 队减少对m p 3 的盗版 4 a 强魄i f f 苹果公司开发的 种声音文件格式 被m a c 平台支援 支持1 6 位4 4 1 k h z 立 体声 n e t s c a p en a v i g a t o r 中的l i v e a u d i o 可以播放 5 a u s u n 的a u 压缩声音文件格式 只支持8 位的声音 a u 是i n t e m e t 中常用的声 音文件格式 多由s u n 工作站创建 可使用软件w a v e f o r m 中的h o l da n dm o d i f y 播 放 n e t s c a p en a v i g a t o r 中的l i v e a u d i o 也可播放 a u 文件 6 c d a c d 音轨文件 7 c m f c r e a t i v e 公司开发的一种声音文件 类似m i d i 8 m 3 u m p 3 播放文件列表 9 r m f m i d i 的变通格式 1 0 r m i m i d i 的乐器序列 1 1 s 3 m f u t u r ec r e w 设计的模块音频格式文件 可用i p l a y 播放 1 2 v o c 塑三童童堡堕曼竺翌墨竺一 堡 墨 一种常见数字声音文件 主要用于d o s 游戏 1 3 w m a w i n d o w sm e d i ar i g h t sm a n a g e r 此格式采用加密算法可以保护唱片的版权 m e d i a p l a y e r 可以播放 由上可以看出 若要对音频文件进行处理 主要针对的将是w a v e 文件 2 2 2 音频效果 1 音频效果分类 音频效果分为回声 回响 混响 泛音 均衡 变调 拉伸 相位改变 左右穆 动 淡入淡出 动态压扩 失真处理 2 声学概念 声学属性包括混响 延时 失真 反馈等等 下面对一些基本声学属性作一介绍 1 房间混响时间 在房间内建立一个稳态的声音信号后 突然关断此信号 房间内声压级由原来的 稳态状况缺落6 0 分贝所需要的时间 2 延时 指相对于直达声而言到达听音者的反射声和直达声之间的时间差 3 分贝 分贝值表示的是声音的量度单位 分贝为功率比的常用对数 在实际应用中电平 和声压级的单位 测量声压变化的单位 当有i d b 的变化时 便能昕出来差别 而 在有 1 0 d b 的增加时 声音的响度将会加倍 4 失真 设备的输出不能完全复现其输入 产生了波形的畸变或者信号成分的增减 5 谐波失真 由于放大器不够理想 输出的信号除了包含放大了的输入成分之外 还新添了一 些原信号的2 倍 3 倍 4 倍 甚至更高倍的频率成分 谐波 致使输出波形走样 这种因谐波引起的失真叫做谐波失真 6 反馈 也称为回授 一种将输出信号的一部分或全部回送到放大器的输入端以改变电路 放大倍数的技术 7 负反馈 导致放大倍数减小的反馈 负反馈虽然使放大倍数蒙受损失 但能够有效地拓宽 频响 减小失真 因此应用极为广泛 8 正反馈 使放大倍数增大的反馈 正反馈的作用与负反馈刚好相反 因此使用时应当小 0 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频倩号处理 谨慎 9 动态范围 信号最强的部分与最微弱部分之间的电平差 对器材来说 动态范围表示这件器 材对强弱信号的兼顾处理能力 频率响应 简称频晌 衡量一件器材对高 中 低各频段信号均匀再现的能力 对器材频响 的要求有两方面 是范围尽量宽 即能够重播的频率下限尽量低 上限尽量高 二 是频率范围内各点的响应尽量平坦 避免出现过大的波动 o d 信噪比 s n 又称为讯噪比 信号的有用成份与杂音的强弱对比 常常用分贝数表示 设备的 信噪比越高表明它产生的杂音越少 3 音频效果解释 1 音量调节 可改变文件的音置大小 存放为另 音量不同的文件 2 延时 可以对乐器或人声进行音质的润色加工 改善声音的厚度和力度 扩展声场和 增强立体感 从而调整音色 3 回声 模拟产生出不同的听音环境 峡谷 大厅 小厅 太空 4 回响 多重回声 模拟产生出不同的听音环境 峡谷 大厅 小厅 太空 5 混响 产生泛音 多个声音等特殊效果 6 均衡 调节各频段的频率响应 从而产生不同效果 如重低音 收音机 高音 能 补偿各种节目信号中久缺的频率成份 又能抑制过重的频率成份 力倒放 将声音进行倒放 8 声音变调 改变声音的音调 进行提高或降低音调 从而产生出男声变女声等特殊效 果 r 9 时域拉伸 将声音的播放时间改变 交调拉伸 第二章音频信号处理系统 硕士论文 将声音的播放时间改变 同时音调发生变化 从而产生机器人或小叮当的声音 o d 左右移动 使声音动态地从一边移到另一边 q 乃相位变化 左右声道的声音不同步 有延迟 淡入淡出 声音由小变大 或由大变小 动态范围 将文件中的声音数据进行压缩或扩展 2 2 3 各种音频效果与实现原理 以下所说的音频效果都是针对w a v 存储格式的声音文件所作的处理 1 音量调节 可改变文件的原始音量大小 存放为另一音量不同的文件 将原来音量过小的文 件音童放大 而将原来音量过大的文件音里降低 算法 因为 w a v e 文件中存放的为直接采样值 所以对每一个采样值乘以小于 l 音量降低 或大于l 音量升高 的系数就会改变熬个文件的音里大小 2 延时 除听到原声外 还会听到原声滞后音 从而可以对乐器或人声进行音质的润色加 工 改善声音的厚度和力度 扩展声场和增强立体感 从而调整音色 它是实现回声 回响 混响的基本单元 简单说来 回响与混响带反馈 而回声不带反馈 图2 2 3 1 延时单元 回声单元 图2 2 3 2 有反馈的延时单元 3 回声 由于不同听音环境中有不同吸声与反射系数的材料 所以反射回来的音量大小与 堕室里三盔堂塑圭堂垡堕苎 差至旦竺笪堕 重塑笪 笙里 延时是不同的 通过调整回声处理单元中的延迟音量 反射回来的声音占原声的比例 与延迟时间 反射回来的声音比原声的滞后时间 两个参数 就可以模拟产生出不同 的听音环境 峡谷 大厅 小厅 太空 根据研究 这眄个参数可以确定如下 参数峡谷 大厅 小厅太空 l 延迟音量 4 5 4 0 4 0 6 5 l 延迟时间 5 0 0 m s1 0 0 m s6 0 m s 1 8 0 m s 4 回响 在房间中 由于房间四壁对声音的反射 造成多个声音的混合而形成的特殊声音 效果 同上 通过调整回晌处理单元中的回响音量与延时两个参数 就可以模拟产生 出不同的听音环境 峡谷 大厅 小厅 太空 0 两个参数与回声处理中的意义相同 回响与回声的区别是 有反馈 所以听起来会有多个回声 回声无反馈 单一 回 声是回响特殊表现 表2 2 3 2 回响效果参数 参数 峡谷大厅小厅太空 i 延迟音量 4 5 4 0 4 0 6 5 i 延迟时间5 0 0 m s1 0 0 m s 6 0 m s1 8 0 m s 图2 2 3 3 声音到达入耳会经过许多不同路径 5 均衡 调节各频段的频率响应 从丽产生不同效果 如重低音 收音机 高音 能 补偿各种节目信号中欠缺的频率成份 又能抑制过重的频率成份 实现方法有时域滤 波与频域滤波 频域滤波器利用的是f f t 算法 效果相当好 时域滤波器处理快但 效果差一点 频域滤波具体操作 首先进行对域到频域的交换 再在频域滤波 然后 再由频域逆变换回时域 时域滤波则不需进行时域与频域的变换 可在时域直接进行 滤波 蔓三妻童塑焦量丝堡墨堕 一一 堕主 i 兰 低通s h l v i n g 滤被器 m 昌蕨 二 过 形 乏 尸一 二夕 输入 截止频率 频率 高通s h e l v i n 黼 图2 2 3 4 低通与搿通滤波器的频率响应 羔匙 彭三芊 飞幸簪一 图2 2 3 5 带通滤波器的频率响应 图2 2 3 6n 段均衡器的实现 6 倒放 将声音进行倒放 将文件中按时间存的样数据顺序颠倒 最后一个数据变为第 个数据 依此类推 将一段声音进行颠倒回放可应用于在将一段背景音效作循环铺垫 时 接点处可能会因电平不一致而产生跳动的感 觉 这时利用倒放工具将相接的 两段中的一段翻转则可解决 在铺垫风声 雨声 钟表指针的滴答声时会用到 7 声音变调 改变输入信号频率 将声音的音调进行提高或降低 类似于对声音进行快进或慢 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频信号赴理 放 产生机器人声音与尖声等 也会产生出男声变女声等特殊效果 实现方法 首先进行时域到频域的变换 再进行频谱搬迁 然后再由频域逆变换回时域即可 8 失真与加嗓 给原来的声音文件加入各种嗓音 对声音文件的采样值进行各种变换 9 变调拉伸 将声音的援放时间改变 但同时音调发生变化 从而产生机器人或小叮挡的声 音 实现方法 例如对采样率为4 4 1 0 0 h z 秒 单声道 1 6 位的声音文件 即一秒钟的声音数据 有8 8 2 0 0 字节 现在删除掉一些数据 则原来需要播放1 秒钟的文件现在只需要播 放小于i 秒钟 播放速度加快 音调升高 反之 增加一些数据 则原来只需播放 1 秒钟的文件现在播放时间需要大于1 秒钟 播放速度放慢 音调降低 1 0 左右移动 感觉声音从一边移到另一边 即声音从左到右 或从右到左 只能处理立体声文 件 实现方法 在对左声道音量进行线性增加的同时对右声道音盘进行线性降低 这样即可实现声音从右到左的漂移 反之亦然 1 1 相位变化 左右的声音不同步 左右耳听到的声音有一定延迟 只能处理立体声文件 实 现方法 将左的数据前面添加一段0 这段期间只听到右耳的声音 这样的文件在 播放时就实现了左右声道的不同步 右声道的数据超前播放 1 2 淡入淡出 声音由小变大 或由大变小 从而模拟出声音由远及近或由近到远的情况 1 3 动态范围调节 将文件中的声音数据进行动态压缩或扩展 改变声音的动态范围 动态扩展 声 域更广 使声音听起来更生动 动态压缩 范围有限制的传输介质上传输 实现方法 输 缩小声音的动态范围 便于在一些对动态 也主要是对采样值的处理 图2 2 3 7 动态压扩处理模块的大致原理 星三童童塑堕 竺里墨竺 一一 堡主羔i 羔 输出 d b 图2 2 3 8 动态范围压缩器在输入值大于入口值时开始作用 输出 d b d b 图2 2 3 9 动态范围扩大器在输入值大于入口值时停止作用 2 3 扬声器均衡 2 3 1 扬声器的频率响应特性 按照国家标准规定 扬声器制造厂应给出多达3 5 条的各种特性 其中极性标志 额定阻抗 总品质因数仇 等效容积v e q 输入电功率 频率特性 指定频带的特 性灵敏度 频率响应 有效频率范围是最主要的特性指标 扬声器的频率响应特性是扬声器的主要特性指标之一 扬声器的频率响应就是用 曲线来表示扬声器的输出声压级与频率之间的关系 这条曲线通常是在自由场条件或 半空间自由场条件下测得的 理想的频率响应曲线应该是在一定的频率范围内是平直 的 可是由于种种原因 曲线上会出现大小不等的峰和谷 扬声器轴向输出声压曲线分布着许多峰谷 我们称为频率响应的不均匀度 这就 是幅频响应的线性失真 研究表明 对于频响谷值 人耳较灵墩的辨别频率为2 0 0 h z 4 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频信号处理 至5 0 0 h z 频段和3 k h z 至6 k h z 频段 对于峰值会比谷值更敏感 峰和谷都会影响音 质 但是在窄的谷尚可忍受的情况下同样窄的岭要尽量避免 尽管通常认为小于1 8 倍频程的峰谷可以忍受 但实际上还是妻努力控制 声压响应频率特性上较严重的峰 和谷往往也预示着相位和瞬态特性的劣化及非线性失真的上升 高质量的h i f i 扬声器轴向声压频率响应不均匀度应 2 d b 如果你的扬声器 系统的频率响应能达到5 0 h z 2 0 k h z 2 d b 即大致相当于线性失真 1 盼程度 那么单从此指标你应该得到满足了 人类听觉等响度特性表明 人类听觉对3 k h z 5 k h z 频段最为灵敏 这个频段上 如有3 d b 以上峰值 听感上觉着音质变 硬 超过5 d b 则会感觉到有些 金属声 如果下陷谷值较宽 音色会发 暗 严重时会发 闷 在高频段 乐器的基音较少 多为其谐音分量 能量上以较大的峰值因数 较低的有效值为特征 很多乐器的音色 由此频段表现 此频段响应的峰值和谷值分别会表现出 尖菊j 和 灰暗 的感觉 2 3 2 对扬声器频响特性的补偿 除了扬声器本身其不均匀的频率响应 随方向丽改变的频率响应及非线性相位都 会使音频信号质量下降 另外 听音室中不同的位置会增强和抵消特定频率 由于表 面反射 在音频信号中会叠加其自身的声音成分 过去 对扬声器频响特性的补偿都 是采用模拟均衡器对其进行补偿 将大小不等的峰和谷拉平 然而 使用一般的图示 模拟均衡器要准确地将扬声器的频率响应不均匀度调整到 2 d b 左右 是非常困难 的 专业的模拟均衡可以做到 但价格非常昂贵 现在随着d s p 技术的发展 d s p 技术已经应用到音频领域 透过d s p 可以校正那些由于不均匀的频率响应和非线性 相位而带来的误差 2 4 数字音频系统 传统的音频产品 音频的处理大多数都是使用模拟设备 体积较大 精度低 容 易受环境影响 而且元件较易老化而影响 使用数字音频处理器 则使设备体积大大 缩小 精度得到提高 且数字设备受环境影响较少 不会因老化影响性能 按照输入 输出信号分类 目前市场有两种数字音频系统 1 输入输出皆为模拟量的数字音频系 统 2 输入为数字量的数字音频系统 由于扬声器是模拟设备 所以一般经过数字处 理的信号都要经过一数模转换器d a c 将其转换成模拟量 再送给模拟功放驱动音箱 随着数字功放技术的提高 数字音频系统的输出可以以数字形式输出 省去数模转换 器d a c 的转换过程 以数字功放直接驱动音箱 这就是第三种数字音频系统 使用 数字功放的音频系统 2 4 1 第一种数字音频系统 图2 4 1 i 是一个典型的输入输出皆为模拟量的数字音频系统 输入可以是录音 机 收音机 麦克风或其他模拟音频信号 经过a d c 模数转换器 例如p c m 3 0 0 i 第二章音频信号处理系统 硕士论文 转换成数字量后 进入d a p 数字音频处理器 例如本论文所做的系统 内进行滤 波 均衡 以及音量等控制 如果d a p 选用的是可编程t m s 3 2 0 c 5 4 xd s p 芯片 则可处理业界标准的音频格式 包括杜比数码 立体环绕音效 a c 3 a u d i oc o d e 3 d t s d i g i t a l t h e a t e rs y s t e m m p 3 以及a a c a d v a n c e d a u d i o c o d i n g 处理后的 数字音频信号再经d a c 数模转换器 例如p c m 3 0 0 1 转换成模拟量 送给功放驱动 扬声器 图2 4 1 1 输入和输出为模拟量的数字音频系统 2 4 2 第三种数字音频系统 由于数字信号在传输过程中 并不会像模拟信号那样存在受到损耗和被干扰的问 题 所以越来越多的音频产品都采用了数字输出接口 如c d 机 d v d 机等 图2 4 2 1 所示的数字输入量可以是s p d i f s o n y p h i l i p s d i g i t a l i n t e r f a e e i e e e l 3 9 4 和u s b 等 数字信号 经过相应的数字音频接收器 将信号编码成d a p 数字音频处理器所支持 的音频格式 另外 些数字音领存贮媒体 如c d d v d 和m d 等 播放的时候 音频信号被编码成p c m 数据 是d a p 所支持的格式 经d a p 处理后 送到d a c 转换成模拟量 再送给模拟功放驱动扬声器 图2 4 2 1 输入为数字量 输出为模拟量的数字音频系统 2 4 3 第三种数字音频系统 图2 4 3 1 是使用数字功放驱动扬声器的音频系统 所谓数字功放 是指以用开 关电路实现数字音频信号功率放大 最后用滤波器还原成音频模拟信号驱动扬声器的 音频功放放大系统 数字功放的优点有 1 6 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频信号处理 1 在功率转换上没有采用任何模拟放大反馈电路 从而避免了瞬态互调失真 2 数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放 3 效率极高 可达7 5 9 0 模拟功放效率仅为3 0 6 0 在工作时 基本不发热 4 可以采用一般的模拟功放不能使用的开关电源 大大降低了整机的成本 重 量和体积 然而数字功放并不能完全取代模拟功放 基于成本方面的考虑 4 0 w 以下的小 功率功放将仍然是模拟的天下 2 0 w 的模拟功放可以作到每通道3 美金以下 远低 于数字功放 但功率越大 模拟功放就需要更多的屏蔽 滤波电路来改善其音质 其 成本也就越高 相比之下 数字功放的成本则较为稳定 到4 0 w 左右 模拟和数字 功放的成本相当 再往上则数字功放的成本优势就变得明显 现在稍好的家庭影院的功放都超过2 0 w 超重低音的效果则是衡量功放好坏的 指标之一 一般说来 超重低音只有在7 8 0 w 以上时才能有良好表现 功放额定 功率的2 倍是该功放所能推动的超重低音的额定功率 因此4 0 w 的功放正好满足 超重低音的需求 由此可以预见 数字功放在d v d 有源音箱 汽车音响等诸多领 域将大有作为 图2 4 3 1 使用数字功放的数字音频系统 2 5 本论文的主要工作 本文在深入研究各种音频效果原理的基础上 设计出一套音频效果处理系统 本 系统包括硬件设计和软件设计 硬件设计包括各种接口 包括d s p 和a d d a 的接口 d s p 和外部存储器的接口 m c u 和d s p 的接口等等 功能框图如图2 5 1 系统的软件设计包括一下几个方面 之一是设计一套基于d s p 的音频系统来实现对扬声器频率响应的补偿 即实现 对扬声器的数字均衡 在特定的频率范围内将信号放大或衰减 数字均衡器具有良好 的可靠性和灵活性 数字均衡器一旦被设计好后 并在系统中使用 那么硬件上就无 需改变了 灵活是数字均衡器的强大功能之一 对于不同的扬声器 改变系数便可以 改变均衡器的数值和类型 第二章音频信号处理系统 硕士论文 图2 5 1 系统框图 之二是用d s p 实现高质量的音效 使人有身临其境的感觉 本文预计设计的音 频信号处理系统能够实现音频的压缩 失真 均衡 延时 混响等效果 在各种效果 实现的过程中 延时不仅是一种最基本的输出效果 也是实现其它输出效果的基础 编写能模拟音乐厅 剧场 电影院等的音质效果的程序 存入d s p 内部r o m 或外部 r o m 中 就可以实现基于通用d s p 的音频效果处理器 之三是系统的控制部分 m c u 作为主机 整个系统的初始化和控制都由它来完 成 d s p 作为从机 主要完成音频信号的算法处理 实现各种效果 m c u 完成自身 初始化 d s p 的复位 主要的是按键处理程序 完成各种按键的分析处理 并将有关 信息送给d s p 以实现相应的功能 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频信号处理 3 基于d s p 的数字效果器及扬声器均衡 3 1d s p 功能及设计流程 自2 0 世纪7 0 年代末初d s p 芯片诞生以来 d s p 芯片得到了飞速的发展 在2 0 多年的时间里 d s p 芯片已经在信号处理 通信 雷达等许多领域得到广泛的应用 世界上第一片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的 2 8 1 1 1 9 7 9 年美国i m e l 公司 发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一个主要里程碑 1 9 8 0 年 日本n e c 公司推出的pp d 7 7 2 0 是第一个具有乘法器的商用d s p 芯片 在这之后 最成功的 d s p 芯片当数关国德州仪器公司 t e x a si n s t r u m e n t s 简称t i 的一系列产品 其 d s p 市场份额占全世界份额近5 0 目前 d s p 芯片的价格越来越低 性能价格比 日益提高 具有巨大的应用潜力 经过十几年的发展 d s p 器件在高速度 可编程 小型化 低功耗等方面都有了长足的发展 单片d s p 芯片最快每秒可完成1 6 亿次 1 6 0 0 m i p s 每秒1 6 0 0 兆次指令 的运算 生产d s p 器件的公司也不断壮大 目前 市场占有率前四名依次为 t e x a si n s t r u m e n t s l u c e n t a n a l o gd e v i c e m o t o r o l a d s p 器件应用面从起初的局限于军工 航空航天等军用领域 扩展到今天的诸 多电子行业及消费类电子产品中 一个典型的d s p 系统如图3 1 1 所示 图3 1 1 典型的d s p 系统 其中的输入信号可以是麦克风输出的语音信号 电话线的已调数据信号 也可以是编 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 输入信号首先进行带 限滤波和抽样 然后进行a d 转换成数字比特流 之后 d s p 芯片对输入的数字信 号进行处理 最后 经过处理后的数字样值经d a 变换成为模拟样值 再经过内插 和平滑滤波就得到了连续的模拟波形 当然 这只是典型情况 并非所有处理过程都是如此 例如语音识别系统 在输 出端不是连续波形 而是识别结果 一般来说 d s p 的设计过程应遵循一定的设计流程 如图3 1 2 所示 3 21 m s 3 2 0 c 5 4 0 2 体系结构 1 总线结构 5 4 0 2 体系结构由8 条主要的1 6 位总线 4 条程序 数据总线和4 地址总线 构 成 其中 1 程序总线 p b 从程序存储器装载指令码和立即操作数 苎三兰苎王望翌塑墼 塾墨壁墨塑苎壁望塑 旦 兰 婆 图3 1 2d s p 系统的设计流程 2 3 条数据总线 c b d b e b 负责将片上的各个不同的部分相互连接 例 如c p u 数据地址产生逻辑 程序地址产生逻辑 片上外设和数据存储器 其中 c b 和d b 从数据存储器读取操作数 e b 把操作数写到数据存储器 3 4 条地址总线 f a b c a n d a b e a b 负责装载指令执行所需要的地址 p b 能加载保存于程序存储空间的操作数 如系数表 到乘法器和加法器进行乘 一加操作或利用数据移动指令 m v p d 和r e a d a 把操作数移动到数据存储空间的 目的地址中 这种性能 与双操作数读取的特性一起 使5 4 x 支持单周期三操作数指 令 5 4 x 还有一条双向的片上总线用于访问片上外设 这条总线轮流使用d b 和e b 与c p u 连接 2 内部存储器 5 4 0 2 存储器被组织进三个独立的可选择的空间 程序存储空间 数据存储空间 和i o 空间 大小都是6 4 k 总共是1 9 2 k 大小 包括随机存储器 r a m 和只读存 储器 r o m 其中 5 4 0 2 所采用的r a m 是双存取访问r a m d a r a m 片上 双存取访问r a m d a r a m 被组织在一些块上 因为每个d a 只a m 块能够在每 个机器周期中被访问两次 结合并行的体系结构 使得5 4 0 2 得以在一个指定的周期 内完成四个并发的存储器操作 一个取指操作 两个数据读操作和一个数据写操作 d a r a m 总是被映射到数据存储空间上 也可被映射进程序存储空间用于保存程序代 码 5 4 0 2 的2 6 个c p u 寄存器和片上外设寄存器被映射在数据存储空间 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频信号处理 c 5 4 0 2 提供了三个控制位用于在存储空间中配置片上存储器 利用这三个控制位 可以设置片上存储器怎样配里到不同存储空间 并指定是配置到程序存储空间还是数 据存储空间 上通过设置处理器模式状态寄存器 p m s t 中的状态位 可以进行调 整 1 m p m c 当此位是l 时 禁止片上r o m 配置到5 4 0 2 的程序存储空间中 即微处理器模式 当此位是0 时 允许片上r o m 配置到5 4 0 2 的程序存储空间中 即微计算机模式 2 o v l y 当o v l y 1 时 片上r a m 配置到程序和数据存储空间中 当 o v l y 0 时 片上r a m 仅配且到数据存储空间 3 d r o m 当o r o m t 时 片上r o m 配置到程序和数据存储空间 当 d r o m 0 时 片上r o m 不配置到数据存储空间 d r o m 与m p m c 状态无关 3 中央处理器 c p u c 5 4 0 2 与其它的5 4 x 芯片使用相同的c p u 它包括 1 4 0 位算术逻辑单元 a l u 2 两个4 0 位的累加器 3 桶形移位器 4 1 7 1 7 位的乘法器 5 4 0 位加法器 6 比较 选择和存储单元 c s s u 7 数据地址产生器 d a g e n 和程序地址产生器 p a g e n1 另外 还包括了指数译码器等特殊应用硬件元件 通过这些硬件 极大的提高了 c 5 4 0 2 在作算术运算时的能力 4 数据存储器寻址 c 5 4 0 2 提供了七种基本的寻址方式 1 立即寻址 指令译码时产生一个定点数 2 绝对寻址 指令译码时产生一个1 6 位地址 3 累加器寻址 使用累加器a 访问程序存储器中的数据 4 直接寻址 在指令字中包含地址的低七位 再与数据页指针d p 或堆栈指针 s p 组成实际的地址 5 间接寻址 利用辅助寄存器访问存储器 6 存储器映射寄存器寻址 在不修改d p 和s p 的情况下 使用寄存器寻址方 式访问c p u 和片上外设的寄存器 7 堆栈寻址 管理系统堆栈入栈和出栈操作 5 程序存储器寻址 第三章基于d s p 的数字效果器及扬声器均衡 硕士论文 p c 寄存器一般用于程序存储器寻址 由程序存储器地址产生逻辑 p a g e n 加 载 般 p a g e n 在取指之后连续增加p c 值 但当遇到非顺序的操作 如 跳转 调用 返回 条件操作 指令重复 复位和中断时 p c 值产生非连续的变化 6 流水线操作 c 5 4 0 2 的流水线一共有6 级 流水线的每一级都是独立运行的 一个周期可以 由六条指令处于流水线上的不同阶段 当p c 值出现非连续的变化时 如跳转 调用 和返回 一条或多条流水线上的指令会被放弃 7 片上外设 c 5 4 x 包含有相同的c p u 但是c p u 连结不同的片上外设 c 5 4 0 2 包括的外设 有 1 通用目的输出引脚 b o 和x f 2 软件等待状态发生器 3 可编程存储器切换逻辑 4 并行口 5 硬件定时器 6 串行口 主要是多通道缓冲串行口 8 外部总线接口 c 5 4 0 2 能寻址6 4 k 的数据存储器 6 4 k 的程序存储器 可外部扩展 和6 4 k 的 i o 空间 任何对外部存储器或i o 设备的访问都要使用外部总线接口 外部总线接 口的r e a d y 弓l 脚和片上的软件等待状态发生器保证处理器能够与各种速度不同的 外部设备连接 外部总线接口的h o l d 方式允许其他设备占用5 4 x 的外部总线 这 样 外部设备就可以访问5 4 x 的程序存储器 数据存储器上的资源 9 i e e e11 4 9 1 标准的逻辑扫描电路 片上的j t a o 接口符合i e e e1 1 4 9 1 标准 这个接口用于硬件仿真和测试 笔者所应用的t i 公司提供的开发套件中 就包含了一个硬件仿真器 使用硬件仿真 器 可以缩短工程开发周期 提高工作效率 3 3c c s 开发环境 本节将介绍c c s c o d ec o m p o s e rs t u d i o 的基本开发环境 软件开发过程 c c s 组件 c c s 提供了配置 建立 调试 跟踪和分析程序的工具 它便于实时 嵌入 式信号处理程序的编制和测试 能够加速开发进程 提高工作效率 3 3 1c c s 编程仿真 c c s 全称是 c o d ec o m p o s e rs t u d i o 它提供了基本的代码生成工具 具有一定 的调试 分析能力 在c c s 下的程序开发过程如图3 3 1 1 所示 南京理工大学硕士学位论文 基于d s p 的数字音频信号处理 图3 3 1 1 程序开发过程 c c s 包括 1 c c s 代码生成工具 2 c c s 集成开发环境 i d e 3 d s p b i o s 插件程序和a p i 4 r t d x 插件 主机接口和a p i 等 下面将着重介绍前两项 3 3 2 代码生成工具 代码生成工具奠定了c c s 所提供的开发环境的基础 典型的软件开发流程如图 3 3 2 1 图中虚线部分是通常的开发流程 其他部分是附加功能 基本流程的描述是 c 源代码和汇编源代码分别通过c 编译器和汇编器 译器生成通甩目标文件格式 c o f f 的代码 再通过连接器根据内存分配文件 如 r e c i p e 文件或e m d 文件 生成输出文件 之后就可以输出到目标板进j 亍调试和功能实现了 主要应用到的工具包括 1 c 编译器 cc o m p i l e r 产生汇编源代码 2 汇编器 a s s e m b l e r 把汇编语言源文件翻译成机器语言目标文件 3 连接器 1 i n k e r 把多个目标文件组合成单个可执行目标模块 4 归档器 a r c h i v e r 可以把一组文件收集到一个归档文件中 这在长时间的 调试时是十分有用的 运行支持库 r u nt i m e 包括了编译器所 s u p p o r t l i b r a r i e s c 支持的a n s i 标准运行函数 编译器公用程序函数 浮点运算函数和c 编译器支持 的y o 函数 5 十六进制转换公用程序 h a xc o n v e r s i o n u