浅谈DSP的音频处理

honglele

摘要：从激光唱盘（CD）到超级音频CD(SACD)、DVD音频唱盘和MP3多媒体播放器，数字形式的音频技术越来越流行，音频处理已经取得了长足的进步。本文重点探讨DSP的音频处理。

           现在大多数音频处理仍然在模拟领域进行，因为早期的数字处理解决方案--基于通用的DSP和外部的模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）使得在硬件和软件编程上的额外费用明显增加。因此实现这样的解决方案很困难、耗时而且成本又很高。现在已经出现了在一片集成电路上集成了一个音频专用DSP和高性能音频数据转换器的解决方案。可以提供专业品质的数字声音处理，具有112dB信噪比(SNR)、完全图形用户界面开发和编程工具以及较好的性价比，允许传统的模拟系统采用数字技术而具有上乘的声音品质。AD1954SigmaDSP就是一个实例，它带有内置DSP功能的一个完整的26-bit、单片、3个声道的数字音频播放系统。其主要特性包括：3个数字音频声道；一个7频段48-bit的立体声均衡器；用于扩音器位置调节的延时器；Phat Stereo空间增强模块；一个双频段结构专业品质的动态处理器。

一、音频专用DSP内核
针对音频处理要求进行优化后的一种DSP内核。这种用户配置DSP内核比通用DSP内核具很明显的优势，因为它能提供很多特点，例如用于双精度滤波器计算的硬件加速器和动态处理。这些特点能够显著减少对给定音频算法所需要的指令周期数。这个DSP内核基于一个带双48-bit累加器的26x22乘法累加引擎。当输入字长是24bit时，该内核的内部分辨率按照3.23格式（3bit指数和23bit尾数）是26bit。许多音频算法要求+12dB增益，额外2bit提供高达+12dB的增益，从而确保大多数应用中不需要增加增益。
所有滤波器都是利用专用硬件加速器以48-bit双精度分辨率进行计算。双精度操作确保低频的无限长脉冲响应(IIR)滤波器可以正确工作，避免有限周期问题的困扰，否则会产生人为杂音。

二、图形用户界面
不管是有经验的数字电路工程师，还是熟悉自己的音频系统但不想陷入到对"bit和byte"进行低级DSP编程中去的模拟电路工程师，图形用户界面(GUI)都能使他们很容易将DSP加入到系统中。这种工具不仅可以进行直观的操作，而且可以实时地控制整个信号流程。
它用图形示出信号流程，因此使用起来确实很直观。设计工程师对信号链中的每一个参数，包括滤波器系数、音量设置和动态处理函数，都可以直接访问和实时修改。这种GUI可通过PC机的打印机口连接到评估板。通过这种方式，任何参数的改变都可通过SPI串口发出，并且立即生效。

三、根据需要设计用户配置程序
就算使用内部程序最简单并且最节省设计时间，但设计工程师可能仍希望根据其系统的需要用户配置专门的信号流程。图形编译器是一个完全图形程序开发工具。图形输入工具允许系统设计工程师画出用户配置的信号流程并且当按下按钮后就将其编译成DSP程序。无需逐行代码开发，从而使得这种工作流程对模拟电路工程师特别友好。
该DSP是用作3声道音箱的处理引擎。处理过程包括：总均衡模块、3声道分频模块、单驱动器均衡模块、各个单驱动器动态范围控制模块,用于驱动器位置调节（相位校正）的延时模块，以及具有112dBSNR的DAC。

四、专业品质动态处理的重要性
中小规模音频系统常常受其放大器和扬声器的功率限制。另外，由于音箱的尺寸小，低频扬声器的频率响应经常在较低频率上有一个过早的自然滚降。因此，采用相当强的均衡是非常流行的做法，特别是在低音区(低音提升电路)，以便补偿这种声音的不完善设置。最后，通常希望（如果不是要求）系统具有很高的最大音量。
系统的有限的放大器功率、较重的低音均衡和高的系统总响度三者相结合，很快使放大器饱和并开始产生严重失真，这会给人们带来不满乃至厌烦的感受。以前试图解决这个问题的几种方法都使用了可以避免削波失真简单的削波检测器，但由此导致的人为杂音与削波失真一样的不佳效果。然而，使用AD1954SigmaDSP专业品质、双频段动态处理器可以控制该系统的限制而不产生人为杂音。

五、提高系统的清晰度和响度
一个是没有任何动态处理的传输函数，另一个是带转折点可调的压缩器与限幅器功能的传输函数。由于使用动态处理，可以在高音量区无失真地处理自然削波电平。这实际上允许用户把系统音量提高约10dB。音量增加10dB表示声压级增加了一倍，从而用户可以将系统的响度提高到原来的两倍。这样就需要对现实世界影响声音因素的调整，带用户配置DSP动态处理器的传递函数可任意调整，它可以将几种动态处理功能组合为一条功能曲线。它有四种典型功能，包括：压缩、限幅、扩展和噪声门限。由于这种传递函数完全可编程，所以这些功能非常容易实现，即可单独使用，也可以组合起来使用。

六、结束语
音频专用DSP技术的引入将音频系统的嵌入式设计带入了一个新纪元。数字领域的处理性能、变换技术和复杂算法都以图形形式出现，使其应用更为方便和经济。这种DSP技术使设计工程师快速开发或把他们的系统移植到数字领域，因此可以充分发挥数字媒体的高品质。