雖然目前音頻源主要由數字媒體（CD，DVD，Internet）組成，但大多數音頻處理仍停留在模擬域中。現在是時候將音頻處理遷移到數字了。

在過去的二十年中，音頻技術經歷了許多進步。從 20 年前推出 CD 開始，發展到 MiniDisk 和 DAT，今天我們可以選擇高分辨率音頻格式，例如 DVD 音頻、SACD 以及 MP3 令人難以置信的靈活性和存儲密度。所有這些進步都集中在音樂的存儲介質上。但是，音頻信號從存儲介質中取出后如何處理呢？它如何到達系統的輸出？當前的“數字”系統是真正的數字化嗎？今天的絕大多數系統都不是。

在音頻/視頻（A/V）接收器中，由于杜比數字解碼的性質，數字信號處理變得流行，但幾乎所有流行的音頻系統，如微型組件，汽車立體聲和PC揚聲器，仍在使用模擬信號處理技術。

其原因是，早期的數字解決方案基于通用數字信號處理器（DSP），具有獨立的D/A和A/D轉換IC，在硬件和編程方面具有巨大的開銷。因此，數字解決方案的實施一直很困難，而且成本高得令人望而卻步。

現在，在主要消費類系統完成向全數字媒體的交叉之際，ADI公司推出了AD1954，這是新型高性價比產品的首款成員。西格瑪數字操作系統?系列—第一個直接解決將音頻專用 DSP 與高性能音頻轉換器集成在單個 IC 上的基本問題的解決方案。

該系列數字聲音處理器件以AD1954為首，提供：

集成轉換器（112 dB SNR）的專業品質數字聲音處理

零麻煩的編程，以及高度用戶友好的圖形配置工具

非常低的價格，這使得大多數系統能夠提供數字技術的卓越音質。

AD1954里面有什么？

AD1954是一款預編程、完全可配置的數字音頻處理器。內部結構如圖1所示。它針對 2.0（左/右）和 2.1（左/右 + 低音炮）配置進行了優化，并包含以下處理模塊：

3 合 1 數字信號源選擇器

立體聲 7 頻段均衡器（48 位雙精度濾波器）

專業品質動態處理器（雙頻結構）

帕特?立體空間增強

揚聲器位置調整延遲

用于獨立低音炮處理的分頻器

音量控制

三個數模轉換器 （112dB SNR），用于左低音炮、右低音炮和低音炮輸出。

所有參數均可由系統設計人員完全配置。這樣可以縮短設計周期，同時可以完全靈活地根據每個市場和客戶的特定要求調整系統。

圖1.SigmaDSP架構。

SigmaDSP中使用哪種DSP內核？

這些產品中使用的 DSP 內核是全新的，它針對音頻處理的要求進行了優化（圖 2）。大幅減少執行給定音頻算法所需的周期數的功能包括用于雙精度和動態處理的硬件加速器。DSP 內核基于 26 × 22 乘法累加引擎和雙 48 位累加器。輸入字長為24位，但內核內部分辨率為26位（3.23格式），可提供兩個額外的位，增益高達+12 dB。由于+12 dB增益在許多音頻算法中很常見，因此在大多數應用中不需要縮放。

所有濾波器均利用特殊的硬件加速器以 48 位雙精度分辨率計算。雙精度確保低頻IIR濾波器可以工作，而不會產生導致可聽見的偽影的限制周期問題。

核心存儲器包括 2.5 KB 的程序 RAM、2.5 KB 的程序 ROM 和 1 KB 的參數 RAM。所有存儲器均可通過SPI接口直接訪問，該接口使用自尋址32位格式（8位地址，24位數據），允許單周期訪問任何存儲器位置。AD1954的內部時鐘速率為25 MHz，由于硬件加速，相當于通用DSP的約50 MIPS。

圖2.SigmaDSP處理內核。

SigmaDSP圖形用戶界面（GUI）為設計人員提供了實時的全面設置控制。

SigmaDSP技術既面向經驗豐富的數字設計師，也適用于熟悉其音頻系統但又不想深入了解低級DSP編程復雜性的模擬設計師。要實現這兩個目標，需要一種可以直觀操作的工具，但可以實時控制整個信號流。

解決方案是AD1954圖形用戶界面（GUI），如圖3所示。它以圖形方式表示AD1954的信號流，因此其使用非常直觀。信號鏈中的每個參數，包括濾波器系數、體積設置和動態處理功能，都可以直接實時訪問和更改。GUI通過PC的打印機端口連接到AD1954評估板。通過這種方式，任何參數更改都會以SPI格式發送到AD1954，并立即生效（實時）。

雖然SigmaDSP GUI旨在作為系統設計人員的專用工具，但它也可以（以修改版本）提供給熱情的最終用戶。通過此PC界面，用戶可以通過筆記本電腦進行完全控制。

圖3.SigmaDSP 圖形用戶界面。

為什么專業品質的動態處理如此重要？

中小型系統，尤其是汽車音響系統，通常受到放大器和揚聲器功率的限制。有幾個潛在的限制因素：在汽車系統中，障礙只是 12V 電源，它將最大輸出功率限制在 20 歐姆的最大輸出功率約為 4 W rms，或 40 歐姆的最大輸出功率限制在 2 W rms。在微型元件中，變壓器尺寸存在空間限制，并且存在熱限制。另一個因素是揚聲器均衡：在中小型系統中，我們通常看到包含小型揚聲器的小型機柜。一種流行的解決方案是使用相對重的均衡，特別是在低音部分（低音增強），要求在低頻下增加功率，以補償這種聲學上不完美的設置。最后（由年輕一代推動），有一個共同的愿望 - 如果不是需求 - 這些系統具有高最大容量。

有限的放大器功率、重低音均衡和系統顯著的總響度的組合很容易導致放大器飽和并開始引入嚴重失真，從而導致不滿意和煩人的聆聽體驗。過去，解決此問題的嘗試通常使用原始削波信號檢測器，這避免了削波，但導致偽像幾乎與削波失真本身一樣糟糕。AD1954 SigmaDSP具有專業品質的雙頻動態處理器，可以無偽影控制系統限制。

提高系統的清晰度和響度

圖4和圖5顯示了沒有任何動態處理且具有軟膝蓋壓縮器/限幅器功能的傳遞函數示例。通過使用圖5所示的功能，AD1954的專業品質動態處理可以自然地處理削波電平，從而在高音量下降低失真。這有效地允許用戶將系統音量調高約 10 dB。音量增加 10 dB 表示體驗到的聲壓級翻倍，因此用戶可以運行他的系統兩倍的音量。

這在放大器和揚聲器功率有限的小型系統中尤其重要。

圖4.如果沒有動態處理，如果允許音頻信號線性增加到剪輯級別以上，音頻信號將變得越來越失真。

圖5.通過動態處理，可以動態調整增益以產生精確的壓縮，因此峰值幅度不會超出放大器/揚聲器系統的限制。

實際調整

SigmaDSP動態處理器的可任意可調傳遞函數允許許多其他應用，并且完全的靈活性允許用戶將多個應用程序組合到同一設備中。

道路噪聲補償

SigmaDSP動態處理的一個強大應用是汽車系統。除了復雜的均衡策略和失真處理外，還可以補償汽車內部的嘈雜環境。雖然噪聲本身無法降低（盡管正在進行主動降噪研究項目），但改善聆聽體驗的唯一實用方法是使柔和信號更響亮。這對于古典音樂尤其重要，因為大動態范圍和許多安靜的音樂段落很常見。

通過在AD1954中編程適當的傳遞函數，可以壓縮低于特定閾值的信號，并且可以放大音樂電平以保持高于道路噪聲的水平。該技術的最終用途可以在OEM汽車系統中實現，其中來自車速表的信號和RPM控制信號可以根據速度（風噪聲）和發動機RPM（電機噪聲）改變補償比。任何在汽車音響系統中體驗過智能道路噪聲補償策略的人都不想再沒有它（也許除了 20 年中期千-世紀勞斯萊斯司機。

午夜模式

SigmaDSP動態處理技術特殊用途的最后一個例子是補償電影音軌中響度的突然變化。似乎在家里，配樂的響度——尤其是在動作片中——永遠不會正確（你的遙控手指最清楚這一點）。一個原因是電影院的配樂通常是混合的。在電影院中，聲學體驗是整個電影體驗的基本要素，而大的動態變化是導演用來產生興奮的工具。在電影院里，沒有人會被打擾。在家里，這一切都不同。雖然我們仍然希望電影體驗盡可能好，但我們必須避免吵醒孩子或附近的鄰居。

“午夜”模式可以通過減小音軌的動態范圍來自動處理這個煩人的問題。為了實現此功能，使用了與用于動態剪輯控制的傳遞函數類似的傳遞函數，但閾值要低得多。為避免聲音偽影，需要像AD1954中實現的專業型雙頻動態處理器。

兩對音軌（圖 6）用于聲音，然后是動作場景（炸彈爆炸）。可以看到，雖然當午夜模式打開時，動作場景的動態范圍會減小，但聲音會保持在同一水平。

圖6.在午夜模式下，高電平被抑制而不會影響正常水平。

總結

隨著SigmaDSP技術的引入，聽音樂和電影的體驗進入了一個新時代。處理性能、轉換器技術和復雜的算法，以前只有專業錄音室的所有者知道，現在正可用于成本敏感的消費類系統。通過使用SigmaDSP技術，人們可以開發在最終輸出之前保持數字的立體聲系統，以充分利用當今數字媒體的卓越品質。

審核編輯：郭婷