車載多媒體系統(tǒng)數(shù)字音效DSP軟件設(shè)計

隨著中國汽車市場的不斷擴大， 消費者購車的需求已經(jīng)悄然發(fā)生變化， 車輛的舒適性、便捷性、娛樂設(shè)備配置逐漸成為選車的新標(biāo)準(zhǔn)。車載多媒體系統(tǒng)最初只裝備在個別高端車型上， 隨著汽車市場的不斷發(fā)展和各品牌車型的更新?lián)Q代， 這套系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為一般車型的常用裝備。多媒體系統(tǒng)為車主提供了諸多方便， 使駕車出行變得輕松。車主可以使用廣泛的信息和娛樂系統(tǒng)， 例如收音機、CD 播放器、TV、導(dǎo)航系統(tǒng)和車載電話等。消費者對車載多媒體系統(tǒng)的聲音質(zhì)量要求越來越高， 高水平的音效成為車載多媒體電子產(chǎn)品的重要賣點。設(shè)計師們通過專業(yè)的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)精準(zhǔn)的音效處理，提升系統(tǒng)的音質(zhì)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文設(shè)計的是一個高品質(zhì)車載影音多媒體系統(tǒng)。該方案采用了全數(shù)字16:9 液晶顯示屏，分辨率高達(dá)800×480。

　　系統(tǒng)以雙核SoC 為主處理器，處理器內(nèi)置圖形加速部件具備獨立顯存，令影像播放效果更加流暢。系統(tǒng)可接入四路視頻信號，分別為DVD、倒車后視攝像頭、IPOD 的視頻和外接備用視頻， 通過AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為ITU656 標(biāo)準(zhǔn)視頻信號， 輸入主處理器。

　　在音頻方面， 不同于市面上其他產(chǎn)品， 本系統(tǒng)的CD碟機與SD 卡媒體播放音頻采用全數(shù)字I2S 格式輸出， 音源全數(shù)字域切換， 并直接進入專業(yè)的數(shù)字音頻信號處理器（DSP） 中， 進行全數(shù)字音頻均衡、高低音調(diào)節(jié)， 并可以實現(xiàn)3D 聲場效果。該功能完全不同于普通車載音響采用的模擬濾波器音頻均衡方式， 令音質(zhì)更加完美。音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換部分采用業(yè)內(nèi)公認(rèn)的高品質(zhì)24 bit DAC 轉(zhuǎn)換器，DAC 內(nèi)置過采樣高階數(shù)字低通濾波器。DAC 輸出后的模擬有源濾波器采用4 階巴特沃斯型。有源濾波采用發(fā)燒級運放NE5532 ， 模擬音頻部分采用LDO 單獨供電，使得音質(zhì)更完美。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　2 數(shù)字音效軟件設(shè)計

　　多媒體系統(tǒng)采用均衡器EQ（Equalizer）調(diào)節(jié)音效。均衡器可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分電信號放大量，從而補償揚聲器和聲場的缺陷，具有補償、修飾各種聲源及其他一些特殊作用，即音效。一般的多媒體系統(tǒng)都支持幾種預(yù)置的音效，如正常、搖滾、爵士、民歌、布魯斯、古典、重金屬等，也可以由用戶自己調(diào)節(jié)幾個主要頻段的增益。

　2.1 算法簡介

2.2 DSP 簡介

　　TAS3103 支持3D 和環(huán)繞立體聲的算法， 可實現(xiàn)軟件音量控制， 低音和重音控制功能， 以及每一信道多達(dá)12波段的獨立的信道均衡。3 個通道中各有12 個雙線性濾波器， 可以實現(xiàn)12 個波段的增益調(diào)節(jié)。雙線性濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 雙線性濾波器結(jié)構(gòu)圖

　　雙線性濾波器傳遞函數(shù)為：

　　2.3 DSP 軟件實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)音效調(diào)節(jié)有兩種方式：

　　（1） 選擇預(yù)置音效模式： 包括NOMAL（ 一般）、POP（ 流行）、CLASSIC（經(jīng)典）、JAZZ（爵士）、ROCK（搖滾）共5 種模式。

　　（2） 用戶自定義模式： 手動設(shè)定各個頻點的增益， 本DSP 可支持多至12 個頻點的增益設(shè)置， 為產(chǎn)品升級預(yù)留空間， 本界面實現(xiàn)了5 個頻點， 但具體實現(xiàn)方法和流程是完全相同的。[next]

　　音效調(diào)節(jié)界面如圖4 所示。

　　音效調(diào)節(jié)的流程如圖5 所示。

圖5 音效調(diào)節(jié)流程圖

　　當(dāng)用戶選擇預(yù)置的音效模式（ 一般、流行、經(jīng)典、爵士、搖滾）時， 將預(yù)置的參數(shù)設(shè)定入存儲器。

　　在自定義模式下， 實現(xiàn)音效調(diào)節(jié)需要進行增益讀取、系數(shù)計算、參數(shù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)設(shè)置幾個步驟。

　　2.3.1 增益讀取

　　增益限定為-12 dB~12 dB， 由于是圖形化界面調(diào)節(jié)，為使用方便， 參數(shù)取整數(shù)。單擊“+ ” ， 增益值加1; 單擊“- ” ， 增益值減1。將增益通過驅(qū)動DeviceIoControl （ ） 函數(shù)傳遞給DSP TAS3103A 。

　　調(diào)節(jié)聲音效果的重要工具均衡器把若干濾波器組合在一起， 各自帶有中心頻率、Q、提升或衰減量的控制，如圖2 所示。

圖2 均衡器

　　雙線性傳遞函數(shù)定義如下：

　　以上傳遞函數(shù)定義了6 個參數(shù)， 也可以消去公倍數(shù)， 將參數(shù)轉(zhuǎn)換為5 個，即：

　　或者：

　　由傳遞函數(shù)式（2） 可得：

　　定義如下均衡器參數(shù)：Fs為采樣頻率、f0為中心頻率、dBgain 為增益， 以分貝為單位、Q 為品質(zhì)因數(shù)（ 中心頻率f0和帶寬B 之比，Q 值越大， 表明濾波器頻率分辨力越高）。[next]

　　然后計算一些中間變量：

　　最后推出參數(shù)：

2.3.2 系數(shù)計算

　將系數(shù)轉(zhuǎn)換為5.23 參數(shù)的格式的具體流程如圖8所示。

圖8 將系數(shù)轉(zhuǎn)換為5.23 格式的流程圖

　　2.3.4 參數(shù)設(shè)置

　　參數(shù)設(shè)置通過I2C 總線對TAS3103A 進行讀寫操作來實現(xiàn)。

　　3 應(yīng)用效果

　　選用預(yù)定模式中爵士音效， 實現(xiàn)從2 kHz 開始， 高音shelf 濾波， 使得JAZZ 模式樂器和聲音效果更加飽滿， 如圖9 、圖10 所示。

　　本文介紹了車載影音多媒體系統(tǒng)的總體設(shè)計， 并重點說明了多媒體系統(tǒng)中用均衡器來調(diào)節(jié)音效的原理、算法以及在TI 公司的音頻DSP TAS3103A 上實現(xiàn)的方法。

　　目前該系統(tǒng)音效已成為產(chǎn)品的突出賣點。

　　系數(shù)計算要用到采樣頻率、中心頻率、增益、品質(zhì)因數(shù)幾個參數(shù)。

　　（1） 增益： 由于用戶設(shè)定的各頻點增益單位是dB， 因此先要換算為倍數(shù)。

　?。?）采樣頻率： 由音源的采樣頻率確定， 本系統(tǒng)中TAS3103A 的輸入端為DVD 光驅(qū)，其采樣頻率為44.1 kHz。

　?。?） 中心頻率： 根據(jù)人耳的特性，5 個中心頻點分別為：50 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz、14 kHz。

　?。?）品質(zhì)因數(shù)： 按照業(yè)內(nèi)通行算法， 取值為1。

　　系數(shù)計算流程如圖6 所示。

圖6 系數(shù)計算流程圖

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　　2.3.3 參數(shù)轉(zhuǎn)換

　　32 位寄存器中有效位數(shù)為28 位， 格式為5.23 形式，5 位是整數(shù)部分（ 最高位為符號位），23 位是小數(shù)部分， 具體示意如圖7 所示。

圖7 5.23 形式示意圖