基于DSP的吉他音效器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為使吉他在非聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)建筑內(nèi)達(dá)到較為完美的音質(zhì)和效果而設(shè)計(jì)一套基于數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processer, DSP)的音效器。使用拾音器獲取吉他模擬音頻信號，經(jīng)轉(zhuǎn)換芯片成為數(shù)字信號后分幀輸入到DSP芯片的多通道緩沖同步串口，使用芯片完成最后音頻信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換并輸出到音響。軟件方面主要使用內(nèi)存中定義的環(huán)形緩沖區(qū)從而以DSP的零消耗循環(huán)控制實(shí)現(xiàn)高效的延時(shí)，并使用嵌套的全通濾波器實(shí)現(xiàn)較好的混響功能。使用音頻硬件測試軟件RMAA(Right Mark Audio Analyzer)的測試結(jié)果表明，該吉他音效器的頻率響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、本底噪聲和互調(diào)失真等指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有一定的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

引言

　　指彈吉他是一種吉他加花的演奏方式，是音樂界極為新興的項(xiàng)目，這種彈奏方法與古典吉他的不同之處在于可廣泛使用多種拍擊、調(diào)弦法，不受手法限制，一把吉他可彈奏出任何美妙音樂，因此更注重彈奏音效，在很多場合需要音效器的輔助。目前國內(nèi)市場的音效器多為日韓等國外國家壟斷，價(jià)格昂貴^[1]，因而為滿足市場需求，設(shè)計(jì)出一款具有較好效果的指彈吉他音效器，采用數(shù)字音頻信號處理技術(shù)提升指彈吉他的音效，以達(dá)到預(yù)期的商業(yè)推廣目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的輸入信號通過吉他識音器獲取^[2]，為增強(qiáng)產(chǎn)品普及性，采用免開孔的拾音器，輸出為150mV的單聲道模擬音頻信號，經(jīng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，分幀存入到緩沖區(qū)RAM中，其后的高速數(shù)字信號處理在TI的DSP芯片TMS320C6713上進(jìn)行，相關(guān)算法在內(nèi)部存儲區(qū)中進(jìn)行運(yùn)算處理，數(shù)字信號經(jīng)處理后再經(jīng)高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換成聲音信號，經(jīng)功放后輸出。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號的快速運(yùn)算，使用了TMS320C6713特有的增強(qiáng)型直接存儲器訪問(Enhanced Direct Memory Access, EDMA)[3]聯(lián)合RAM的方式進(jìn)行流水線^[4]處理，即各模塊同時(shí)工作，部分音頻信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，部分轉(zhuǎn)換后的信號在TMS320C6713中進(jìn)行處理，部分處理后的信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而保證音效的實(shí)時(shí)快速處理。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　音效器硬件選用TMS320C6713芯片，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇PCM1804，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片選擇PCM1730。

2.1 電源設(shè)計(jì)

　　以9V直流電壓作為電源模塊的輸入，經(jīng)7805三端穩(wěn)壓集成電路后輸出的5V電流對TPS767D318芯片供電，分別輸出3.3V和1.8V對TMS320C6713和PCM1804、PCM1730供電。為器件安全考慮，設(shè)置輸出的最大電流為1A，并具有過熱保護(hù)的功能同時(shí)為避免模擬5V電路和模塊中的數(shù)字電路的相互干擾，引入隔離磁珠^[5]用以模數(shù)隔離。

2.2 核心電路

　　本項(xiàng)目的音效器選擇TMS320C6713芯片的主要原因在于，這是一款高速浮點(diǎn)DSP芯片，最大時(shí)鐘頻率達(dá)到225MHz兆赫茲，外部存儲器接口為32位，能訪問最高達(dá)512M字節(jié)的外部存儲空間，完成與同/異步存儲器的無縫對接，有兩個(gè)多通道緩沖串行端口，各端口可與265個(gè)通道進(jìn)行全雙工通信，支持多種幀格式，與串行接口兼容。并且支持流水線工作方式，可在同一時(shí)刻實(shí)現(xiàn)多達(dá)8個(gè)不同指令在內(nèi)部不同部位交迭地處理執(zhí)行，流水線運(yùn)行按取指、譯碼、執(zhí)行三級步驟運(yùn)行，各級包含幾個(gè)節(jié)拍，可實(shí)現(xiàn)指令周期內(nèi)的有序運(yùn)算，性能穩(wěn)定， TMS320C6713芯片的EDMA可在無CPU參與的環(huán)境下控制芯片存儲空間的數(shù)據(jù)遷移，并可實(shí)現(xiàn)DSP芯片與外部EPROM芯片的高速數(shù)據(jù)傳輸，適合音效器設(shè)計(jì)的需要。

　　本系統(tǒng)采用的PCM1804轉(zhuǎn)換器^[7]，可選多種系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和采樣頻率，模塊有主模式和從模式兩種接口模式，主模式狀態(tài)下提供與DSP之間的串行音頻數(shù)據(jù)通信，從模式狀態(tài)下只接收數(shù)據(jù)。PCM1804與TMS320C6713芯片的I²C接口通過I²S音頻傳輸協(xié)議進(jìn)行音頻傳輸。由于PCM1804具有24位112dB動(dòng)態(tài)范圍，在音頻處理過程中將會產(chǎn)生比模數(shù)轉(zhuǎn)換電路更寬的動(dòng)態(tài)范圍，因此數(shù)模轉(zhuǎn)換電路使用24位的PCM1730，其動(dòng)態(tài)范圍是117dB，可保證系統(tǒng)最終的噪聲門限和處理精度不下降。PCM1730自帶系統(tǒng)時(shí)鐘檢測電路，可自動(dòng)檢測到SCKI輸入的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。系統(tǒng)核心電路如圖2所示，圖2顯示了PCM1804在主模式下與TMS320C6713芯片和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片PCM1730的連接關(guān)系圖，輸入的音頻數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換還原成模擬音頻信號輸出。

3 典型算法分析

　　DSP編程主要用于對吉他音頻數(shù)字信號進(jìn)行處理，可使用C語言或者匯編語言編程，鑒于C語言的易移植性、靈活性和在復(fù)雜系統(tǒng)中的便捷優(yōu)勢^[1]，本系統(tǒng)使用C語言進(jìn)行混合編程，主要以延時(shí)算法和混響算法為例簡要說明音效器的實(shí)現(xiàn)原理。

3.1 延時(shí)算法

　　對音頻信號的處理，延時(shí)^[4]是最基本的輸出效果，其它音效如合唱效果、弗蘭格效果和回聲效果等都離不開延時(shí)的基礎(chǔ)性作用，延時(shí)產(chǎn)生的原聲滯后音可有效調(diào)整音色?；镜难訒r(shí)包括不帶反饋的和帶反饋的兩種，其中不帶反饋的延時(shí)對輸入音頻信號進(jìn)行延時(shí)一次，從而實(shí)現(xiàn)回聲效果，而帶反饋的延時(shí)能進(jìn)行反復(fù)延時(shí)和重復(fù)播放，兩者原理如圖3所示。

　　由圖3可知，延時(shí)實(shí)際上是音頻數(shù)據(jù)延遲一個(gè)時(shí)段后再輸出，是通過在系統(tǒng)內(nèi)存中定義的環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)，該緩沖區(qū)由讀/寫利用的地址指針確定，每次對數(shù)據(jù)延時(shí)的過程是指針從先前的指定時(shí)段前的數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)做加成，并更新指針指向下一位置。由于內(nèi)存緩沖區(qū)的地址是線性的，為實(shí)現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)，充分利用了TMS320C6713具備零消耗循環(huán)控制的專門部件，不必每次指針指向地址到緩沖區(qū)上界時(shí)自動(dòng)跳到下界，而是在上界時(shí)將計(jì)數(shù)器減1直到緩沖區(qū)的下界，在硬件上完成循環(huán)跳轉(zhuǎn)和計(jì)數(shù)器的衰減，從而減小系統(tǒng)的開銷以提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。

　　此外延遲時(shí)間由系統(tǒng)采樣頻率和延遲線單元數(shù)共同決定，初始采樣頻率是96kHz，TMS320C6713芯片可支持512MB的最大尋址，因此本系統(tǒng)的延遲時(shí)間使用模數(shù)尋址方式快速實(shí)現(xiàn)。

3.2 混響算法

　　實(shí)現(xiàn)混響功能的基本單元是全通濾波器^[3]，但經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)級聯(lián)或單個(gè)的全通濾波器回聲是周期性的且密度較低，從而形成較大的聲擺效應(yīng)，對音效器的效果造成較壞的影響。其解決方法是使用嵌套的全通濾波器，如圖4所示，即在一個(gè)全通濾波器的延時(shí)單元中插入另一個(gè)延時(shí)濾波器。在圖4中為并不是延時(shí)單元而是全通濾波器，其Z變換為：

(1)

　　(1)式中X、Y分別是嵌套濾波器的輸入和輸出， H(z)的模為：

(2)

　　由(2)式可知，若G(z)為全通濾波器，則H(z)也為全通濾波器。這樣嵌套較大的優(yōu)點(diǎn)是提高吉他混響音效的時(shí)域響應(yīng)效果，其原理是由于嵌套全通濾波器中內(nèi)部濾波器產(chǎn)生的回聲經(jīng)過外部濾波器的反饋環(huán)路，從而重新用作輸入信號。因此，該系統(tǒng)生成的回聲個(gè)數(shù)比常規(guī)全通濾波器的回聲個(gè)數(shù)相比要多，而且嵌套全通濾波器的回聲相互間隔不是固定的，這也與常規(guī)全通濾波器不同。同時(shí)無論如何嵌套，由于使用的是全通濾波器，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到保證，避免了采用梳狀濾波器等條件下的振蕩和不穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)測試

　　為驗(yàn)證吉他音效器的指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)需求，采用音頻測試軟件RMAA(Right Mark Audio Analyzer)^[8]，該軟件下載于俄羅斯硬件資訊網(wǎng)站，可用于對本文的音效器進(jìn)行電聲性能測試，主要項(xiàng)目包括頻率響應(yīng)、本底噪聲、動(dòng)態(tài)范圍和互調(diào)失真等四項(xiàng)，其測試結(jié)果為：

　　(1)頻率響應(yīng)反映了音效器的音響系統(tǒng)對吉他輸出的不同頻率信號的還原特性，測試發(fā)現(xiàn)吉他音效器的頻率響應(yīng)曲線過渡平滑，各頻率點(diǎn)沒有明顯衰減，近似為一條直線，在20Hz-2kHz的頻率響應(yīng)不超過0.3dB，在2kHz-20kHz的頻率響應(yīng)不超過0.1dB，滿足系統(tǒng)頻率響應(yīng)不超過0.4dB的指標(biāo)要求。

　　(2)本底噪聲主要反映吉他音效器的抗干擾性能，測試結(jié)果為音效器的左、右聲道的本底噪聲分別是-95.3dB和-92.1dB，在沒有音頻信號輸出時(shí)音箱不會出現(xiàn)交流聲，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定的本底噪聲指標(biāo)要求。

　　(3)動(dòng)態(tài)范圍是聲卡輸出最高音量和最低音量的相對比較值，吉他音效器的測試結(jié)果為83.3dB，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　(4)互調(diào)失真主要反映系統(tǒng)的非線性失真程度，音效器的互調(diào)失真測試結(jié)果為0.012，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

　　綜上所述，使用RMAA測試本文的吉他音效器的指標(biāo)均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，且吉他音效結(jié)果經(jīng)聽音師試聽，得到了充分的肯定。

5 結(jié)論

　　以TMS320C6713芯片為核心，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片PCM1804、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片PCM1730所進(jìn)行系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)音效器對音頻信號的實(shí)時(shí)快速處理，通過環(huán)形緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高效率的延時(shí)功能，并使用嵌套的全通濾波器實(shí)現(xiàn)混響音效，使用RMAA對音效器進(jìn)行測試的結(jié)果表明音效器主要指標(biāo)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，具備較好的性能和應(yīng)用價(jià)值。

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