基于DSP的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計(jì)

摘要 音頻均衡器在音頻系統(tǒng)中是調(diào)節(jié)音色的重要工具之一。文中提出了一種基于ADSP—BF533硬件平臺(tái)的數(shù)字音頻均衡器設(shè)計(jì)，其音頻處理算法包括譜分析和均衡算法。經(jīng)過(guò)測(cè)試表明，該系統(tǒng)可達(dá)到理想的音頻均衡效果，用戶可對(duì)各種音效進(jìn)行選擇和自定義音效。
關(guān)鍵詞 音頻均衡器；譜分析；ADSP—BF533

均衡器是一種可以分別凋節(jié)各種頻率成分電信號(hào)放大龜?shù)碾娮釉O(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)音頻均衡器的參數(shù)，可以補(bǔ)償揚(yáng)聲器和聲場(chǎng)的缺陷，起到補(bǔ)償和修飾各種聲源的作用。
分立器件與運(yùn)放構(gòu)建的模擬電感音頻均衡器，因受分立器件本身性能的影響，存在許多不利因素，使該音頻均衡器在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)。提出了在ADSP—BF533硬件系統(tǒng)上設(shè)計(jì)數(shù)字音頻均衡器的方法。譜分析算法采用FFT，其程序設(shè)計(jì)可以調(diào)用DSP的實(shí)時(shí)信號(hào)處理庫(kù)函數(shù)。均衡器的設(shè)計(jì)算法采用FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法，F(xiàn)IR濾波器具有嚴(yán)格的線性相位，均衡后的音頻不會(huì)產(chǎn)生相位失真。系統(tǒng)相對(duì)于模擬音頻均衡器有較大的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)算精度高、處理速度快、滿足實(shí)時(shí)信號(hào)處理的要求。

1 數(shù)字音頻均衡器的硬件設(shè)計(jì)
硬件平臺(tái)以ADSP—BF533(DSP)作為數(shù)字信號(hào)處理核心，AD1836A作為音頻采集和播放單元，LCD顯示模塊和按鍵實(shí)現(xiàn)人界交互。系統(tǒng)原理如圖1所示。

模擬音頻信號(hào)經(jīng)AD1836A模數(shù)轉(zhuǎn)換，南DSP數(shù)字均衡后再傳送給AD1836A進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的均衡。用戶可以通過(guò)LCD顯示模塊和按鍵來(lái)改變DSP中的軟件處理流程或參數(shù)，完成對(duì)數(shù)字音頻均衡器的控制。
1．1 主處理器ADSP-BF533
ADSP—BF533處理器是ADSP Blackfin系列的成員，其結(jié)構(gòu)采用了微信號(hào)結(jié)構(gòu)(Micro Signal Architecture)，具備簡(jiǎn)潔的RISC指令集結(jié)構(gòu)。內(nèi)部指令處理采用流水線技術(shù)，并集成乘累加單元(MAC)和算術(shù)邏輯單元(ALU)，其最高核頻率可達(dá)600 MHz。
BF533集成了豐富的外設(shè)接口，在數(shù)字音頻均衡器中使用SPORT0完成數(shù)字音頻的數(shù)據(jù)傳輸，使用SPI來(lái)配置AD1836A的工作模式，并用可編程標(biāo)志(PF)與LCD、按鍵進(jìn)行連接。
1．2 音頻編碼器AD1836A
AD1836A是一個(gè)高性能的單片編碼器，能夠提供3個(gè)立體聲的DAC和2個(gè)立體聲的ADC。DSP通過(guò)SPI將AD1836A配置采樣率為48 kHz，數(shù)據(jù)字寬為24位的音頻編碼器，并通過(guò)SPORT和AD1836A進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，其串行數(shù)據(jù)端口可以采用流行的I2S串行模式。
1．3 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)
LCD選用MSP-G240128DYSY的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，該液晶顯示模塊的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)由液晶顯示控制器T6963C及其外圍電路、行驅(qū)動(dòng)器組、列驅(qū)動(dòng)器組和液晶驅(qū)動(dòng)偏電壓電路組成。BF533通過(guò)PF接口實(shí)現(xiàn)對(duì)T6963C8位數(shù)據(jù)總線和控制線的讀寫(xiě)。其中使用PF0～PF7為數(shù)據(jù)線，PF12～PF14為控制線，圖2給出了BF533和LCD的接口方式。

2 數(shù)字音頻均衡器的軟件設(shè)計(jì)
軟件流程如圖3所示，首先對(duì)BF533進(jìn)行一系列的初始化，將系統(tǒng)設(shè)置在確定的工作狀態(tài)下。初始化完畢用戶通過(guò)按鍵選擇LCD的菜單項(xiàng)控制音頻信號(hào)處理。

2．1 音頻信號(hào)的譜分析算法
在音頻信號(hào)處理中加入譜分析可以更直觀地看出對(duì)不同頻段的增益調(diào)節(jié)效果，方便了調(diào)節(jié)和分析。頻譜特性曲線可以通過(guò)離散傅里葉變換得到，如式(1)所示。

式中，x(n)為音頻信號(hào)采樣序列；為旋轉(zhuǎn)因子；N為DFT變換區(qū)間長(zhǎng)度；X(k)可以用來(lái)描述其音頻信號(hào)的頻譜。
實(shí)際操作中AD1836A每次通過(guò)SPORT0，將4個(gè)24位的采樣數(shù)據(jù)送入SPORT0接收緩沖區(qū)，并產(chǎn)生一次接收中斷，在中斷服務(wù)程序中接收的數(shù)據(jù)被送入設(shè)定的緩沖區(qū)中，當(dāng)接收計(jì)數(shù)器達(dá)到N時(shí)，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT，計(jì)算出的幅頻特性曲線實(shí)時(shí)顯示在LCD上。