基于DSP的吉他音效器的設計與實現(xiàn)

摘要：為使吉他在非聲學標準建筑內達到較為完美的音質和效果而設計一套基于數字信號處理器(Digital Signal Processer, DSP)的音效器。使用拾音器獲取吉他模擬音頻信號，經轉換芯片成為數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模轉換并輸出到音響。軟件方面主要使用內存中定義的環(huán)形緩沖區(qū)從而以DSP的零消耗循環(huán)控制實現(xiàn)高效的延時，并使用嵌套的全通濾波器實現(xiàn)較好的混響功能。使用音頻硬件測試軟件RMAA(Right Mark Audio Analyzer)的測試結果表明，該吉他音效器的頻率響應、動態(tài)范圍、本底噪聲和互調失真等指標達到了設計要求，具有一定的推廣和應用價值。

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。目前國內市場的音效器多為日韓等國外國家壟斷，價格昂貴^[1]，因而為滿足市場需求，設計出一款具有較好效果的指彈吉他音效器，采用數字音頻信號處理技術提升指彈吉他的音效，以達到預期的商業(yè)推廣目的。

1 系統(tǒng)結構

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

2 硬件結構設計

　　音效器硬件選用TMS320C6713芯片，模數轉換芯片選擇PCM1804，數模轉換芯片選擇PCM1730。

2.1 電源設計

　　以9V直流電壓作為電源模塊的輸入，經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，設置輸出的最大電流為1A，并具有過熱保護的功能同時為避免模擬5V電路和模塊中的數字電路的相互干擾，引入隔離磁珠^[5]用以模數隔離。

2.2 核心電路

　　本項目的音效器選擇TMS320C6713芯片的主要原因在于，這是一款高速浮點DSP芯片，最大時鐘頻率達到225MHz兆赫茲，外部存儲器接口為32位，能訪問最高達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，有兩個多通道緩沖串行端口，各端口可與265個通道進行全雙工通信，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，可在同一時刻實現(xiàn)多達8個不同指令在內部不同部位交迭地處理執(zhí)行，流水線運行按取指、譯碼、執(zhí)行三級步驟運行，各級包含幾個節(jié)拍，可實現(xiàn)指令周期內的有序運算，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據遷移，并可實現(xiàn)DSP芯片與外部EPROM芯片的高速數據傳輸，適合音效器設計的需要。

　　本系統(tǒng)采用的PCM1804轉換器^[7]，可選多種系統(tǒng)時鐘頻率和采樣頻率，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之間的串行音頻數據通信，從模式狀態(tài)下只接收數據。PCM1804與TMS320C6713芯片的I²C接口通過I²S音頻傳輸協(xié)議進行音頻傳輸。由于PCM1804具有24位112dB動態(tài)范圍，在音頻處理過程中將會產生比模數轉換電路更寬的動態(tài)范圍，因此數模轉換電路使用24位的PCM1730，其動態(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)時鐘檢測電路，可自動檢測到SCKI輸入的系統(tǒng)時鐘頻率。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芯片和數模轉換芯片PCM1730的連接關系圖，輸入的音頻數據經模數轉換和數字信號處理后經模數轉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字信號進行處理，可使用C語言或者匯編語言編程，鑒于C語言的易移植性、靈活性和在復雜系統(tǒng)中的便捷優(yōu)勢^[1]，本系統(tǒng)使用C語言進行混合編程，主要以延時算法和混響算法為例簡要說明音效器的實現(xiàn)原理。

3.1 延時算法

　　對音頻信號的處理，延時^[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的基礎性作用，延時產生的原聲滯后音可有效調整音色?；镜难訒r包括不帶反饋的和帶反饋的兩種，其中不帶反饋的延時對輸入音頻信號進行延時一次，從而實現(xiàn)回聲效果，而帶反饋的延時能進行反復延時和重復播放，兩者原理如圖3所示。

　　由圖3可知，延時實際上是音頻數據延遲一個時段后再輸出，是通過在系統(tǒng)內存中定義的環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)，該緩沖區(qū)由讀/寫利用的地址指針確定，每次對數據延時的過程是指針從先前的指定時段前的數據和當前數據做加成，并更新指針指向下一位置。由于內存緩沖區(qū)的地址是線性的，為實現(xiàn)環(huán)形緩沖區(qū)的結構，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)上界時自動跳到下界，而是在上界時將計數器減1直到緩沖區(qū)的下界，在硬件上完成循環(huán)跳轉和計數器的衰減，從而減小系統(tǒng)的開銷以提升系統(tǒng)運行效率。

　　此外延遲時間由系統(tǒng)采樣頻率和延遲線單元數共同決定，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)的延遲時間使用模數尋址方式快速實現(xiàn)。

3.2 混響算法

　　實現(xiàn)混響功能的基本單元是全通濾波器^[3]，但經測試發(fā)現(xiàn)級聯(lián)或單個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，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，即在一個全通濾波器的延時單元中插入另一個延時濾波器。在圖4中為并不是延時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)點是提高吉他混響音效的時域響應效果，其原理是由于嵌套全通濾波器中內部濾波器產生的回聲經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)生成的回聲個數比常規(guī)全通濾波器的回聲個數相比要多，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

　　為驗證吉他音效器的指標是否達到設計需求，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站，可用于對本文的音效器進行電聲性能測試，主要項目包括頻率響應、本底噪聲、動態(tài)范圍和互調失真等四項，其測試結果為：

　　(1)頻率響應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曲線過渡平滑，各頻率點沒有明顯衰減，近似為一條直線，在20Hz-2kHz的頻率響應不超過0.3dB，在2kHz-20kHz的頻率響應不超過0.1dB，滿足系統(tǒng)頻率響應不超過0.4dB的指標要求。

　　(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音箱不會出現(xiàn)交流聲，達到系統(tǒng)設計時設定的本底噪聲指標要求。

　　(3)動態(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果為83.3dB，達到設計要求。

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

　　綜上所述，使用RMAA測試本文的吉他音效器的指標均滿足系統(tǒng)設計要求，且吉他音效結果經聽音師試聽，得到了充分的肯定。

5 結論

　　以TMS320C6713芯片為核心，結合模數轉換芯片PCM1804、數模轉換芯片PCM1730所進行系統(tǒng)硬件電路的設計，實現(xiàn)增強音效器對音頻信號的實時快速處理，通過環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)了系統(tǒng)高效率的延時功能，并使用嵌套的全通濾波器實現(xiàn)混響音效，使用RMAA對音效器進行測試的結果表明音效器主要指標達到了系統(tǒng)設計需求，具備較好的性能和應用價值。

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