大型電子設(shè)備時(shí)所要經(jīng)常用到的音頻處理裝置

音頻處理是我們?cè)谑褂煤芏啻笮碗娮釉O(shè)備時(shí)所要經(jīng)常用到的音頻處理裝置，它能夠幫助我們控制音樂(lè)或配樂(lè)，使其在不同場(chǎng)景中產(chǎn)生不同的聲音效果，增加音樂(lè)或配樂(lè)的震撼力，同時(shí)能夠控制現(xiàn)場(chǎng)的很多音頻功能。音頻處理器又稱為數(shù)字處理器，是對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)普遍是由輸入部分和輸出部分組成。它內(nèi)部的功能更加齊全一些，有些帶有可拖拽編程的處理模塊，可以由用戶自由搭建系統(tǒng)組成。

一般的數(shù)字處理器，內(nèi)部的架構(gòu)普遍是由輸入部分和輸出部分組成，其中屬于音頻處理部分的功能一般如下：輸入部分一般會(huì)包括，輸入增益控制(INPUT?GAIN )，輸入均衡(若干段參數(shù)均衡)調(diào)節(jié)(INPUT?EQ),輸入端延時(shí)調(diào)節(jié)(INPUT?DELAY)，輸入極性(也就是大家說(shuō)的相位)轉(zhuǎn)換(input?polarity)等功能。而輸出部分一般有信號(hào)輸入分配路由選擇(ROUNT)，高通濾波器(HPF)，低通濾波器(LPF)，均衡器(OUTPUT?EQ)，極性(polarity)，增益(GAIN)，延時(shí)(DELAY)，限幅器啟動(dòng)電平(LIMIT)這樣幾個(gè)常見(jiàn)的功能。

?音頻處理系統(tǒng)?是一種用于處理音頻信號(hào)的設(shè)備或軟件系統(tǒng)，主要用于改善音頻質(zhì)量、調(diào)整音效和處理多通道音頻信號(hào)。它通常由輸入部分、處理部分和輸出部分組成，能夠進(jìn)行多種音頻處理操作，如音量調(diào)整、音質(zhì)優(yōu)化、音效增強(qiáng)等?12。

音頻處理系統(tǒng)的定義和功能

音頻處理系統(tǒng)，也稱為數(shù)字處理器，主要用于處理數(shù)字信號(hào)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常包括輸入和輸出部分，功能豐富多樣。通過(guò)音頻處理系統(tǒng)，可以輕松控制音樂(lè)或配樂(lè)，使其在不同場(chǎng)景中呈現(xiàn)出不同的聲音效果，從而增強(qiáng)音樂(lè)的震撼力。此外，它還能控制現(xiàn)場(chǎng)的許多音頻功能，為會(huì)議或演出提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)?13。

音頻處理系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景

?音樂(lè)制作?：在音樂(lè)制作中，音頻處理系統(tǒng)可以幫助制作人調(diào)整音樂(lè)的各種參數(shù)，如音量、音質(zhì)和音效等，從而創(chuàng)造出理想中的音樂(lè)效果?4。

?會(huì)議系統(tǒng)?：在會(huì)議系統(tǒng)中，音頻處理系統(tǒng)可以提供高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，支持多通道輸入和輸出，適用于大型會(huì)議中心的音頻管理?4。

?廣播系統(tǒng)?：在廣播系統(tǒng)中，音頻處理系統(tǒng)用于改善廣播信號(hào)的質(zhì)量，確保聽(tīng)眾獲得清晰的音頻體驗(yàn)?4。

?電影和電視制作?：在電影和電視制作中，音頻處理系統(tǒng)用于調(diào)整音效和背景音樂(lè)，增強(qiáng)影片的觀影體驗(yàn)?3。

音頻處理系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)和操作方法

音頻處理系統(tǒng)的操作方法包括以下步驟：

?連接系統(tǒng)?：首先將處理器連接到相應(yīng)的輸入和輸出設(shè)備。

?設(shè)置通道?：根據(jù)需要設(shè)置各通道的信號(hào)來(lái)源和處理參數(shù)。

?調(diào)整頻段?：根據(jù)音箱特性或工作環(huán)境設(shè)置頻段和濾波器。

?均衡調(diào)節(jié)?：使用工具測(cè)量傳輸時(shí)間和距離，進(jìn)行均衡調(diào)節(jié)。

?保存數(shù)據(jù)?：調(diào)整完畢后保存數(shù)據(jù)，以便后續(xù)使用?5。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，音頻處理技術(shù)也在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如通信領(lǐng)域中的手機(jī)、IP電話，消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的MP3和CD播放器以及控制領(lǐng)域中的語(yǔ)音識(shí)別、聲控系統(tǒng)等[1]。針對(duì)DSP強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力和ARM處理器良好的實(shí)時(shí)性能，結(jié)合音頻編解碼芯片TLV320AIC23的接口特點(diǎn)，本文闡述了由三者組成的音頻處理系統(tǒng)的硬件接口設(shè)計(jì)和軟件編程，提供了有效和實(shí)用的音頻處理系統(tǒng)方案。

TLV320AIC23(簡(jiǎn)稱AIC23)是TI公司的一款高性能立體聲音頻編解碼器Codec芯片。其內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADCs)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DACs)采用了帶有過(guò)采樣數(shù)字插補(bǔ)濾波的多位Sigma-Delta技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸字長(zhǎng)為16、20、24、32位，支持采樣頻率范圍8kHz至96kHz。ADC和DAC的信噪比分別達(dá)到90dB和100dB。內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持MIC和LINE IN兩種輸入方式，且對(duì)輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。另外，AIC23功耗低，回放模式下功率僅為23mW，省電模式下更是小于15uW。因此，AIC23成為數(shù)字音頻應(yīng)用

領(lǐng)域中的理想選擇[2]，在多種數(shù)碼產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用，比較典型的應(yīng)用如手機(jī)、MP3、DV攝像機(jī)中的音頻編解碼。

TMS320VC5402(簡(jiǎn)稱VC5402)是TI公司的一款優(yōu)秀16位定點(diǎn)DSP，運(yùn)算速度快，指令執(zhí)行速度達(dá)到100MIPS。自帶片內(nèi)存儲(chǔ)器和多種片上外設(shè)，廣泛應(yīng)用于語(yǔ)音編解碼和通信領(lǐng)域[3]。

S3C4510B(簡(jiǎn)稱4510B)是Samsung公司的一款低成本、高性能的16/32位精簡(jiǎn)指令集微控制器，其出色的ARM7TDMI內(nèi)核以及通用微處理器宏單元使其成為用戶定制應(yīng)用開(kāi)發(fā)的理想選擇[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本音頻處理系統(tǒng)主要由前述三個(gè)處理芯片組成：ARM控制單元，DSP信號(hào)處理單元以及AIC23音頻采集單元。系統(tǒng)原理框圖如圖1。

AIC23是可編程芯片，內(nèi)部有11個(gè)16位寄存器，編程設(shè)置這些寄存器可得到所需的采樣頻率、輸入輸出增益和傳輸數(shù)據(jù)格式等。該控制接口有SPI和I2C兩種工作模式，由芯片上的MODE引腳進(jìn)行選擇：MODE=0為I2C模式，MODE=1為SPI模式。因ARM 4510B上也有I2C接口，故選用I2C模式。AIC23的I2C接口地址由 引腳的狀態(tài)決定， =0時(shí)地址為0011010， =1時(shí)地址為0011011。其中SDIN與SDA為數(shù)據(jù)線，SCLK與SCL為串行時(shí)鐘線。VC5402有兩個(gè)多通道緩沖串口，選用其中的McBSP0與AIC23進(jìn)行通信，信號(hào)連接如圖1所示。圖中AIC23工作在主模式，時(shí)鐘信號(hào)、DAC和ADC的幀同步信號(hào)BFSX0和BFSR0都由AIC23提供。而DSP VC5402與ARM 4510B的通訊是通過(guò)DSP上的HPI接口實(shí)現(xiàn)的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由ARM系統(tǒng)和DSP系統(tǒng)兩大部分組成，ARM作為主控制器管理整個(gè)系統(tǒng)的工作進(jìn)程，運(yùn)行相關(guān)的應(yīng)用程序，可對(duì)多個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，完成與外部DSP系統(tǒng)或其他外設(shè)的通信。DSP則主要完成音頻數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM供應(yīng)用程序調(diào)用。這樣的設(shè)計(jì)可以大大提高系統(tǒng)的工作效率，這也是當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)，各移動(dòng)手持設(shè)備如PDA、手機(jī)等的典型設(shè)計(jì)方案。

這里具體要做的是對(duì)AIC23的控制接口編程，使其工作在所需的模式下。然后初始化DSP的McBSP，進(jìn)行AD、DA轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。

3.1 ARM編程部分

系統(tǒng)中對(duì)ARM的編程主要涉及對(duì)AIC23的初始化，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)，對(duì)音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。這需要設(shè)置4510B的I2C總線特殊功能寄存器：控制狀態(tài)寄存器IICCON、預(yù)分頻寄存器IICPS和移位緩沖寄存器IICBUF，寄存器相關(guān)說(shuō)明見(jiàn)表1[5]。

表1 4510B I2C總線特殊功能寄存器

AIC23的11個(gè)控制寄存器相關(guān)設(shè)置的詳細(xì)描述參見(jiàn)文獻(xiàn)2。這里的設(shè)置為：左右聲道線路輸入靜音;耳機(jī)左右聲道音量為6dB;使能DAC，麥克風(fēng)音量為20dB作為ADC輸入;使能ADC高通濾波;芯片各部分電路供電使能;芯片工作在主模式，采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度16位，采用DSP數(shù)據(jù)格式(同步幀后跟隨兩個(gè)數(shù)據(jù)字);采樣率88.2KHz(外部晶振為11.2896MHz);使能數(shù)字接口。

對(duì)AIC23編程時(shí)的I2C總線時(shí)序如圖2所示。設(shè)置好I2C的時(shí)鐘頻率后，首先發(fā)送開(kāi)始條件(SCLK為高電平時(shí)，SDI從高電平向低電平切換)，然后發(fā)送AIC23的器件地址，器件地址發(fā)出后發(fā)送AIC23相應(yīng)寄存器的地址，再發(fā)送對(duì)該寄存器設(shè)置的數(shù)據(jù)，最后發(fā)送停止條件(SCLK為高電平時(shí)，SDI從低電平向高電平切換)。注意，這里的寄存器地址為7位，寄存器數(shù)據(jù)為9位，而I2C總線以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)。因此在對(duì)AIC23的寄存器編程時(shí)，第一個(gè)字節(jié)包括了前7位的寄存器地址B15-B9以及設(shè)置數(shù)據(jù)的最高位B8，第二個(gè)字節(jié)為設(shè)置數(shù)據(jù)的后8位B7-B0。

3.2 音頻數(shù)據(jù)采集與播放

初始化AIC23后，再初始化DSP以及McBSP0，之后進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的采集與播放。通過(guò)麥克風(fēng)采集語(yǔ)音信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理后由耳機(jī)輸出。使用McBSP0的接收中斷保存數(shù)據(jù)，通過(guò)FIR數(shù)字濾波子程序處理音頻數(shù)據(jù)。程序流程如圖3所示。

初始化McBSP0使其與AIC23協(xié)調(diào)工作，這里要根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和軟件要求來(lái)配置McBSP0的各個(gè)控制寄存器。本系統(tǒng)中串口的主要設(shè)置為：接收數(shù)據(jù)右對(duì)齊，帶符號(hào)擴(kuò)展;接收中斷使能;由片外提供發(fā)送、接收幀信號(hào)和發(fā)送、接收時(shí)鐘信號(hào);發(fā)送、接收幀同步信號(hào)低電平有效;在時(shí)鐘上升沿采樣發(fā)送、接收數(shù)據(jù);每幀發(fā)送、接收兩個(gè)16位字?jǐn)?shù)據(jù)[6]。