车载多媒体系统数字音效DSP软件设计

中心议题：
    *  系统结构
    *  数字音效软件设计

摘要： 详细介绍了数字音效调节算法及其在TAS3103A 上的软件实现。本系统采用了TI 公司的48 位DSP TAS3103A。该DSP 可实现3 声道，12 波段的独立的信道均衡。

随着中国汽车市场的不断扩大， 消费者购车的需求已经悄然发生变化， 车辆的舒适性、便捷性、娱乐设备配置逐渐成为选车的新标准。车载多媒体系统最初只装备在个别高端车型上， 随着汽车市场的不断发展和各品牌车型的更新换代， 这套系统已经逐步成为一般车型的常用装备。多媒体系统为车主提供了诸多方便， 使驾车出行变得轻松。车主可以使用广泛的信息和娱乐系统， 例如收音机、CD 播放器、TV、导航系统和车载电话等。消费者对车载多媒体系统的声音质量要求越来越高， 高水平的音效成为车载多媒体电子产品的重要卖点。设计师们通过专业的数字信号处理器来实现精准的音效处理，提升系统的音质。

1  系统结构

本文设计的是一个高品质车载影音多媒体系统。该方案采用了全数字16:9 液晶显示屏，分辨率高达800×480。

系统以双核 SoC 为主处理器，处理器内置图形加速部件具备独立显存，令影像播放效果更加流畅。系统可接入四路视频信号，分别为DVD、倒车后视摄像头、IPOD 的视频和外接备用视频， 通过AD 转换器转换为ITU656 标准视频信号， 输入主处理器。

在音频方面， 不同于市面上其他产品， 本系统的CD碟机与SD 卡媒体播放音频采用全数字I2S 格式输出， 音源全数字域切换， 并直接进入专业的数字音频信号处理器（DSP） 中， 进行全数字音频均衡、高低音调节， 并可以实现3D 声场效果。该功能完全不同于普通车载音响采用的模拟滤波器音频均衡方式， 令音质更加完美。音频数模转换部分采用业内公认的高品质24 bit DAC 转换器，DAC 内置过采样高阶数字低通滤波器。DAC 输出后的模拟有源滤波器采用4 阶巴特沃斯型。有源滤波采用发烧级运放NE5532 ， 模拟音频部分采用LDO 单独供电，使得音质更完美。具体结构如图1 所示。



2  数字音效软件设计

多媒体系统采用均衡器EQ（Equalizer）调节音效。均衡器可以分别调节各种频率成分电信号放大量，从而补偿扬声器和声场的缺陷，具有补偿、修饰各种声源及其他一些特殊作用，即音效。一般的多媒体系统都支持几种预置的音效，如正常、摇滚、爵士、民歌、布鲁斯、古典、重金属等，也可以由用户自己调节几个主要频段的增益。

2.1 算法简介
调节声音效果的重要工具均衡器把若干滤波器组合在一起， 各自带有中心频率、Q、提升或衰减量的控制，如图2 所示。



双线性传递函数定义如下：


以上传递函数定义了6 个参数， 也可以消去公倍数， 将参数转换为5 个，即：



或者：


由传递函数式（2） 可得：



定义如下均衡器参数：Fs为采样频率、f0为中心频率、dBgain 为增益， 以分贝为单位、Q 为品质因数（ 中心频率f0和带宽B 之比，Q 值越大， 表明滤波器频率分辨力越高）。

然后计算一些中间变量：



最后推出参数：


2.2  DSP 简介
TAS3103 支持3D 和环绕立体声的算法， 可实现软件音量控制， 低音和重音控制功能， 以及每一信道多达12波段的独立的信道均衡。3 个通道中各有12 个双线性滤波器， 可以实现12 个波段的增益调节。双线性滤波器的结构如图3 所示。


双线性滤波器传递函数为：



2.3 DSP 软件实现
本系统音效调节有两种方式：
（1） 选择预置音效模式： 包括NOMAL（ 一般）、POP（ 流行）、CLASSIC（经典）、JAZZ（爵士）、ROCK（摇滚）共5 种模式。
（2） 用户自定义模式： 手动设定各个频点的增益， 本DSP 可支持多至12 个频点的增益设置， 为产品升级预留空间， 本界面实现了5 个频点， 但具体实现方法和流程是完全相同的。

音效调节界面如图4 所示。


音效调节的流程如图5 所示。



当用户选择预置的音效模式（ 一般、流行、经典、爵士、摇滚）时， 将预置的参数设定入存储器。

在自定义模式下， 实现音效调节需要进行增益读取、系数计算、参数转换和参数设置几个步骤。

2.3.1 增益读取
增益限定为-12 dB~12 dB， 由于是图形化界面调节，为使用方便， 参数取整数。单击“+ ” ， 增益值加1; 单击“- ” ， 增益值减1。将增益通过驱动DeviceIoControl （ ） 函数传递给DSP TAS3103A 。

2.3.2 系数计算
系数计算要用到采样频率、中心频率、增益、品质因数几个参数。
（1） 增益： 由于用户设定的各频点增益单位是dB， 因此先要换算为倍数。
（2）采样频率： 由音源的采样频率确定， 本系统中TAS3103A 的输入端为DVD 光驱，其采样频率为44.1 kHz。
（3） 中心频率： 根据人耳的特性，5 个中心频点分别为：50 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz、14 kHz。
（4）品质因数： 按照业内通行算法， 取值为1。

系数计算流程如图6 所示。





2.3.3 参数转换
32 位寄存器中有效位数为28 位， 格式为5.23 形式，5 位是整数部分（ 最高位为符号位），23 位是小数部分， 具体示意如图7 所示。


将系数转换为5.23 参数的格式的具体流程如图8所示。


图8 将系数转换为5.23 格式的流程图

2.3.4 参数设置
参数设置通过I2C 总线对TAS3103A 进行读写操作来实现。

3   应用效果
选用预定模式中爵士音效， 实现从2 kHz 开始， 高音shelf 滤波， 使得JAZZ 模式乐器和声音效果更加饱满， 如图9 、图10 所示。



本文介绍了车载影音多媒体系统的总体设计， 并重点说明了多媒体系统中用均衡器来调节音效的原理、算法以及在TI 公司的音频DSP TAS3103A 上实现的方法。