基于TMS320VC5402的音頻信號采集與處理系統

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的處理算法，語音信號經處理后，再從PCM1744輸出。

3 軟件設計

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

3.1 A/D與D/A程序設計

為了在20kHz的音響頻段獲得優良的音頻輸出，A/D和D/A的采樣頻率應該達到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相關寄存器（spcr1,spcr2,rcr1,rcr2,xcr1,xcr2,srgr1,srgr2,mcr1,mcr2,rcera1,rcerb1,xcera,xcerb,pcr1）進行正確的設置[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。在分配好相應的緩沖區和產生相應的中斷之后，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接口部分和應用層編程部分。在PC程序的開始，與DSP接口部分的程序先調用初始化函數，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“通信協議”在指定位置讀出DSP處理結果幀或DSP的請求幀，并將它交給上一層（應用程序）處理。應用程序亦通過與DSP接口部分程序向DSP發出各種命令。上層應用程序是用戶使用系統的界面，它提供語音數據庫管理和系統管理等功能。

3.3 基于優化工具的程序優化

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

（1）-pm：程序級全局優化，包括程序的外部訪問、全局變量的優化和函數的外部調用。

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

（3）使用內聯函數（intrinsic）。'C5402編譯器提供的intrinsi可以快速優化C代碼。Intrinsic是直接映射為內聯的'C5402指令的特殊函數（ETSI函數）。Intrinsic用前下劃線表示，使用時同函數的調用一樣。

實際表明：選擇上述幾項進行優化，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，由于設備和器件的限制，其幅度對頻率的響應并不是一致的，極有可能出現某些頻率成分的增益太大或太小。對于頻率響應特性的這類缺陷，需要進行適當的調整。音頻信號的均衡算法，這是通過軟件設計調節某些頻率成分的增益，對其進行提升或衰減。聲音信號經均衡處理后，可以彌補頻率響應特性的缺隱，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雜的過程，例如，電吉它音效器還包括調制、延時混響等算法的處理。

本文設計的音頻信號采集與處理系統，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、調制模塊、延時混響模塊。各個模塊可以單獨使用，也可以串聯使用，并采用兩個LED數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）和該系統，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，進行算法的優化處理，可以發現最終音色效果相差無幾。另外，在此系統中，既有A/D又有D/A，構成一個閉環，可自發自收；而算法則集中在DSP芯片內進行模塊化處理，這給系統的設計和調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的基礎上，設計出功能及效果與ZOOM 505相比美的電吉它音效器，可以從根本上改變國內目前的電吉它音效器市場基本上被國外產生所壟斷的局面[3]，具有很強的實用價值。