在各类厅堂扩声中，音箱发出的声音在房间中会产生折射、反射、绕射等现象，由于建声的缺陷，有时还会产生共振、啸叫等问题。音频信号经过系统周边设备放大处理，有时会产生音频信号的频率响应问题，如声场中声音的某些频率表现不足或过强，这种情况下可使用音效器来解决频率上的不均衡现象。

音效处理器是采用模拟或数字电路处理各类厅堂音效的一种设备。随着数字信号处理器DSP方案性能的不断提升，现在可利用数字信号处理手段较为方便地解决许多原本只能通过建声才能解决的声效问题。本文设计的音效处理器采用了TI的DSP平台，可以实现多种房间的混响、均衡、压限、镶边、合唱等音效。

1 系统方案的确定

根据数字音频处理系统的特点及相关技术指标要求，在系统方案设计时，主要考虑以下几点：

①要符合HD音频标准，处理器运算速度要够快，可选择24位或以上，能及时处理96KHz或更高的音频数据，与外界通信的接口要丰富。

②选择的音频A/D、D/A转换器需与主处理器通信良好，采样率96KHz。

③根据延时设计，选择适当大小的SRAM来存放临时数据，实现较大的数据缓冲区。

④需选择适当的FLASH ROM来存放最终运行程序。

根据以上思路，模拟音频信号先经由A/D采样量化处理，产生数字音频信号，存储至数据缓冲区，数字信号处理器对该信号再进行如均衡、压限、延时、合唱等多种音效的处理[2]。众多的算法处理存储在外部ROM上，DSP应用初始化后经选择音效处理算法后调入其内部存储区进行高速运算。变换后的数字音频信号传至输出缓冲区，再进行D/A变换及运算放大以产生丰富复杂的音效，最后输出至音频功率放大电路进行放大。

处理器是音效算法执行的核心，混响运算包含大量的加法与乘法，因此处理器的运算速度必须快。此设计采用了DSP+ARM的双核体系结构，DSP负责具体算法及计算处理，ARM完成音效处理系统的流程操作与控制。此设计中DSP选用TI公司的TMS320C67260，ARM选用了Philips公司的LPC2134。

ADC选用24bit立体声A/D转换器PCM1804，该芯片最高采样频率达192KHz，动态范围与信噪比均达110dB以上。DAC选用24位串行音频数模转换器PCM1794，该芯片最高采样频率同样为192KHz，动态范围与信噪比均达115dB以上。

系统中的外扩数据存储器采用静态SDRAM，本音效器音频设计速率为96KHz，最长延时为2秒，因此需要的数据存储空间为：

f*T*24bit=96kHz *2s*24bit=192k*24bit

在此选用Micron公司的MT48LC4M16A2TG，该芯片采用高速CMOS工艺制造，容量为256K*16，存取速度为7.0ns，输入输出完全兼容3.3vTTL电平。

存储系统最终运行程序的FLASH ROM选用的是SST公司的SST29LE020，该款FLASH存储量为256K*8位，低压3.3V供电，数据读取时间5ms，完全能满足系统的存储需要。

音效处理器系统结构如图1所示。可同时提供输入4组通道与输出8组通道，用户可以根据要求选择所需的通道。

2 音效器硬件电路设计

音效器硬件平台的构建十分重要，它决定了系统能否正常运行。音效器硬件系统由TMS320C6726与LPC2134两个处理器以主从方式连接实现，下面来详细说明。

2.1 主系统设计 主系统包含微处理器LPC2134、LED及LCD显示模块、复位电路、晶振和键盘等，系统方框如图2所示。

主系统中的CPU LPC2134属于32位低功耗高性能控制器，该芯片静态RAM为32 KB、Flash为128KB、还拥有16C550工业标准DART与高速I2C接口及实时时钟等。CPU操作频率可达60MH，可同时完成取指、执指及译码等操作。中断输入由向量中断控制器实现，中断优先级采用编程动态分配。

T6963C控制器与显示模块的行列驱动器及缓冲区RAM相连，可管理设置显示屏的结构（单双屏）、显示窗口字体、长宽度等。控制总线与数据总线直接与CPU的I/O口线相连。显示模块与LPC2134接口电路如图3所示。

图中显示模块数据传输为并行，LPC2134与驱动电路74HC14和74L3245直接相连。其中74HC14是六输入反相驱动器，用来驱动液晶模块的四条控制线；74LS245为八位双向总线收发器，用以连接显示模块中的数据总线与CPU的P0端口，负责控制数据的传输，并具有数据缓冲和锁存功能[3]。

2.2 从系统设计 DSP（TMS320C6726）是音效算法的硬件载体，是该系统的核心部分，在设计中，将它作为一个从系统，以下来分析该芯片的特点及内部资源与外部接口。

①TMS320C6726属于32位高速浮点型DSP，时钟最高频率为225MHz，每个周期可以执行8条指令，最大峰值速率可达920MFLOPS以上。拥有8位独立功能单元：2个定点与浮点的32/40bit算术逻辑单元，4个定点的32/40bit算术逻辑单元以及2个16bit的算法器，芯片内还集成了大容量SRAM。

②TMS320C6726数据通道包含2组通用寄存器，每组寄存器包括16个2位寄存器，用以存放数值，作为指令的源或者目的操作数，还可作为间接寻址的指针使用。支持32位及40位浮点运算，32位数据可放在任一通用寄存器内。

③TMS320C6726有8个寄存器管理中断服务，MOSFET，半导体场，效应晶体管，MOS管它的CPU拥有3种类型中断，即复位、可屏蔽中断和不可屏蔽中断，具有不同的优先级。

④TMS320C6726中的指令按三级流水线运行即取指、译码和执行，每一级包含不同的节拍，如译码为两个节拍，取指为四个节拍，各类型的指令执行不同数目的节拍，如图4所示。流水线操作单位以CPU周期计数，每个执行包在流水线每个节拍的时间为一周期。

2.3 A/D、D/A电路设计 本设计中，TMS320C6726的I2C接口与外部的AD、DA进行音频传输，采用的是I2S音频传输协议，该协议一种数字音频设备之间的数据传输总线标准，规范了硬件接口标准，统一了数字音频数据格式，其中的三个主要信号：串行时钟SCLK与数字音频的每一位数据相对应；帧时钟LRCK，用于切换左右声道的数据；串行数据SDATA，用二进制补码表示音频数据。

2.3.1 AD电路设计 该DSP处理系统的ADC电路采用了PCM1804，该芯片接口模式分为主从模式，由8脚（S/M）控制，主模式时为DSP与PCM1804和之间提供串行音频数据通信，从模式时它接收数据。在主从模式下，支持四种音频数据格式，由FMTO（6脚）和FMT 1（7脚）控制实现。

2.3.2 DA电路设计 数模接口的设计对音效处理系统显得重要的。因AD接口PCM1804具有24位动态范围，而音频处理过程计算产生的数据量打，需有比输入AD更宽的动态范围才能接纳，在此选用了TMS320C6726作为处理器，DA转换电路采用24位PCM1730，其动态范围为115dB以上，确保系统总体处理精度的要求与噪声门限不至于下降。

3 系统软件效果设计

软件部分也是音效器设计的重点，硬件电路只有配合软件才能正常运行。本音效器的软件要求能实现设计标准中的各种音效，采用的方法是先做出物理模型，同时采用自适应滤波电路来达到一些音响音效，下面就来分析下各类声场效果的实现原理。

①音量调节：可以通过改变文件的初始音量，存放为另一音量不同的文件，因为文件中存放的为数字电路采样值，如果要将原音量过小的文件进行放大，就只要将相应采样值乘以大于1的系数；相反，要降低原音量过大的文件，就只要乘以一个小于1的系数。

②延时：声场中的声音除了直达声外，还会有经过反射或折射的延时声。音效器可以对人声或音乐的音质加工处理，改善音频的力度与响度，扩展声场并加强立体感，从而使音色产生改善。延时分为两种，一种是无反馈电路的，其原理如图5所示，只对输入信号实现一次延时，就可产生延时效果；另一种是采用反馈控制的延时，可以实现声音在系统内的多次延时，反复播放，其原理如图6所示。

③混响：混响基本单元采用全通滤波器电路结构，但单个或级联的全通滤波器声返回仍然不足，而去会出现声摆效应。这里采用嵌套全通滤波器的处理方案，即在一个全通滤波器的延时单元中再嵌入一个全通滤波器，如图7所示。

嵌套滤波器时域响应非常好，其内部全通滤波器产生的回声量可通过外部反馈环路滤波器处理后再作为系统新的输入信号，因此其冲击响应产生的回声数比全通滤波器多的多，且回声之间的间隔也无一定的规律性。由于采用的是全通滤波器，所以电路可采用级联或者嵌套形式，系统的响应稳定性非常好。

④回声及回响：各类声场中所用材料的吸声与反射系数都是不同的，因此声场中的反射量大小与延时也是有区别的。通过调节音效处理单元中的时间延迟（反射声比直达声的滞后时间）与音量延迟（反射声占直达声的比例）两个参数，就可模拟产生出众多的听音环境（如体育场、大厅，房间、音乐厅等）。

⑤左右移动：在处理立体声时，可以让听众感觉声音从一边移到另一边，如从右到左，或从左到右。如想实现声音从左到右的漂移，可以在对右声道音量进行线性增加的同时对左声道音量进行线性降低，反之亦然。

⑥相位变化：处理立体声文件时，如果左右声道声音不同步，两耳听到的声音就会有一定的延迟，如在右声道的数据前添加一段数字0（此时只听到左声道的声音），这样音频在播放时就实现了左右声道相位变化（左声道的数据超前右声道播放）。

4 系统测试及结果

该音效器设计完成后，对其进行了测试，系统的性能指标测试采用了音频硬件测试软件Right Mark Audio Analyzer（RMAA），它对音效器的电声性能测试包括噪声水平、频率响应、动态范围、互调失真、总谐波失真、立体声道分离度等六项，采样模式为24bit/96kHz，测试结果如表1所示。

从表1的几个性能指标参数可以看出，该音效器的性能指标测试都达到了Excellent的水平，完全符合设计要求。

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