基于TMS320VC5402的音頻信號采集與處理系統(tǒng)

PCM1800完成音頻信號采集后，在DSP的外擴程序存儲器中嵌入相應(yīng)的處理算法，語音信號經(jīng)處理后，再從PCM1744輸出。

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要包括DSP編程和PC編程。DSP程的主要任務(wù)是初始化、管理板上的資源和完成音頻的處理算法，可參考有關(guān)資料。PC編程重點則是管理DSP操作和應(yīng)用層軟件編寫。

3.1 A/D與D/A程序設(shè)計

為了在20kHz的音響頻段獲得優(yōu)良的音頻輸出，A/D和D/A的采樣頻率應(yīng)該達到44.1kHz或48kHz。要正確編寫采樣和輸出音頻信號的程序，必須對'C5402的McBSP相關(guān)寄存器（spcr1,spcr2,rcr1,rcr2,xcr1,xcr2,srgr1,srgr2,mcr1,mcr2,rcera1,rcerb1,xcera,xcerb,pcr1）進行正確的設(shè)置[1]，以滿足'C5402和PCM1744、PCM1800的各種時序要求（位同步、幀同步、時鐘信號等）。為了使TOUT能給外圍器件提供時鐘信號，就設(shè)計到DSP的定時和中斷操作，具體請參考TI提供的Spru302.pdf資料。

3.2 DSP和PC的編程

DSP程序首先初始化'C5402和模擬接口。在分配好相應(yīng)的緩沖區(qū)和產(chǎn)生相應(yīng)的中斷之后，進行各項音效處理算法，例如：壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲抑制ZNR、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時反唱等，或者幾種算法混合進行。

PC的編程包括DSP接口部分和應(yīng)用層編程部分。在PC程序的開始，與DSP接口部分的程序先調(diào)用初始化函數(shù)，將DSP程序下載到DSP（初始化程序在DSP中載入一個很小的自舉程序，然后通過自舉程序一段一段地把全部程序載入DSP）中。初始化完成后，與DSP接口部分程序再按自定義的“通信協(xié)議”在指定位置讀出DSP處理結(jié)果幀或DSP的請求幀，并將它交給上一層（應(yīng)用程序）處理。應(yīng)用程序亦通過與DSP接口部分程序向DSP發(fā)出各種命令。上層應(yīng)用程序是用戶使用系統(tǒng)的界面，它提供語音數(shù)據(jù)庫管理和系統(tǒng)管理等功能。

3.3 基于優(yōu)化工具的程序優(yōu)化

根據(jù)用戶的要求，選擇C程序優(yōu)化器和匯編優(yōu)化器，對編碼器的特定性能如代碼長度、計算速度等進行優(yōu)化。使用方法是在編譯（Built Options）時設(shè)定不同的編譯選項來控制優(yōu)化目標。根據(jù)我們的實踐，認為選擇下列幾項進行優(yōu)化對提高計算速度等的影響較大：

（1）-pm：程序級全局優(yōu)化，包括程序的外部訪問、全局變量的優(yōu)化和函數(shù)的外部調(diào)用。

（2）-o3：采用三級優(yōu)化技術(shù)。其中第一級優(yōu)化主要完成消除無用賦值和局部公共表達式等，第二級優(yōu)化主要完成循環(huán)算法的優(yōu)化并將循環(huán)中的數(shù)組訪問轉(zhuǎn)化為指針增量形式、實施循環(huán)展開。消除全局公共了表達式和無用賦值等，第三級優(yōu)化主要完成消除冗余代碼、簡化表達式和語句、使用內(nèi)聯(lián)（inline）函數(shù)并展開等。-03在上述基礎(chǔ)上還完成消除從未使用的函數(shù)、對函數(shù)聲明進行重排序和對函數(shù)使用的內(nèi)聯(lián)形式等。

（3）使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)（intrinsic）。'C5402編譯器提供的intrinsi可以快速優(yōu)化C代碼。Intrinsic是直接映射為內(nèi)聯(lián)的'C5402指令的特殊函數(shù)（ETSI函數(shù)）。Intrinsic用前下劃線表示，使用時同函數(shù)的調(diào)用一樣。

實際表明：選擇上述幾項進行優(yōu)化，只要編譯選項選擇適當，其效果很顯著的，計算速度可提高5～10倍，當然其代碼長度會有少許增加。

3.4 音頻信號處理算法簡介[2]

在聲音的拾取和傳輸過程中，由于設(shè)備和器件的限制，其幅度對頻率的響應(yīng)并不是一致的，極有可能出現(xiàn)某些頻率成分的增益太大或太小。對于頻率響應(yīng)特性的這類缺陷，需要進行適當?shù)恼{(diào)整。音頻信號的均衡算法，這是通過軟件設(shè)計調(diào)節(jié)某些頻率成分的增益，對其進行提升或衰減。聲音信號經(jīng)均衡處理后，可以彌補頻率響應(yīng)特性的缺隱，也可以人為地制造一些較好的音響效果。

當然，音頻信號的處理是一個很復(fù)雜的過程，例如，電吉它音效器還包括調(diào)制、延時混響等算法的處理。

本文設(shè)計的音頻信號采集與處理系統(tǒng)，已作為電吉他等音效器研制的硬件試驗平臺，并具有如下算法：壓縮模塊、失真模塊、ZNR/AMP模塊、均衡模塊、調(diào)制模塊、延時混響模塊。各個模塊可以單獨使用，也可以串聯(lián)使用，并采用兩個LED數(shù)碼顯示器表示選擇好的混合音效模式。它大大改變了電吉它自身的音色，可產(chǎn)生壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲擼制（ZNR）、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時反響等多種單獨的音色效果，也可同時使用幾種音色效果，極大地豐富了電吉他現(xiàn)場演奏效果。把相同的電吉它信號分別輸入ZOOM 505（日本ZOOM公司生產(chǎn)）和該系統(tǒng)，然后分別把輸出波形在時域與頻域以及幅值與相位上進行分析比較，進行算法的優(yōu)化處理，可以發(fā)現(xiàn)最終音色效果相差無幾。另外，在此系統(tǒng)中，既有A/D又有D/A，構(gòu)成一個閉環(huán)，可自發(fā)自收；而算法則集中在DSP芯片內(nèi)進行模塊化處理，這給系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試帶來了很大的方便。所以，如果能在本文提出的以TMS320VC5402 DSP芯片為核心器件的音頻信號采集與處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計出功能及效果與ZOOM 505相比美的電吉它音效器，可以從根本上改變國內(nèi)目前的電吉它音效器市場基本上被國外產(chǎn)生所壟斷的局面[3]，具有很強的實用價值。