2.3 D/A電路

PCM1744是雙聲道立體聲DAC，包含數字濾波器和輸出放大器，動態范圍為95dB，具有多種采樣頻率可選，最高可達96kHz。采用24位的IIS數據輸入格式。PCM1744的操作主要涉及到LRCIN(采樣時鐘信號輸入)、BCKIN(位時鐘信號輸入)、SCKI(系統時鐘輸入)、DIN(數據輸入)這幾個對時序有要求的引腳。PCM1744與'C5402連接后，'C5402使用緩沖串口1發送數據，各種時鐘信號均由'C5402產生，PCM1744被動接收各種信息。PCM1744的系統時鐘信號(SCKI)由'C5402的TOUT引腳提供，TOUT是'C5402的定時器輸出信號引腳，有較強的驅動能力，可以驅動多個芯片。PCM1744的數據接收時鐘格式必須是IIS格式，'C5402在緩沖串口寄存器中設置各種時鐘方式時，必須滿足IIS格式的要求。'C5402作為主動工作器件，可以對其緩沖串口輸出信號進行調整。輸出的采樣時鐘信號、位時鐘信號可以在McBSP寄存器SRGR1和SRGR2中設置，設置遵循圖3的原則。

基本的時鐘信號可以來自CPU時鐘，也可以來自晶振時鐘，這在SRGR2寄存器中的第13位設置?；緯r鐘輸入后，經CLKGDV(SRGR1的第7位到第0位)所設置的值進行第一次分頻，得到位時鐘信號(由BCLKX1腳輸出)。值得注意的是，位時鐘信號最高為DSP頻率的一半。位時鐘信號經FPER(SRGR2的第11位到第0位)和FWID(SRGR1的第15位到第8位)所設置的值進一步分頻得到采樣時鐘信號(由BFSX1腳輸出)，FPER和FWID分別設置采樣時鐘信號的低電平和高電平的時間值。'C5402與PCM1744的硬件接線如圖4所示。

PCM1800完成音頻信號采集后，在DSP的外擴程序存儲器中嵌入相應的處理算法，語音信號經處理后，再從PCM1744輸出。

3 軟件設計

軟件部分主要包括DSP編程和PC編程。DSP編程的主要任務是初始化、管理板上的資源和完成音頻的處理算法，可參考有關資料。PC編程重點則是管理DSP操作和應用層軟件編寫。

3.1 A/D與D/A程序設計

為了在20kHz的音響頻段獲得優良的音頻輸出，A/D和D/A的采樣頻率應該達到44.1kHz或48kHz。要正確編寫采樣和輸出音頻信號的程序，必須對'C5402的McBSP相關寄存器(spcr1, spcr2, rcr1, rcr2, xcr1, xcr2, srgr1, srgr2, mcr1, mcr2, rcera1, rcerb1, xcera, xcerb, pcr1)進行正確的設置[1]，以滿足'C5402和PCM1744、PCM1800的各種時序要求(位同步、幀同步、時鐘信號等)。為了使TOUT能給外圍器件提供時鐘信號，應設計到DSP的定時和中斷操作，具體請參考TI提供的Spru302.pdf資料。

3.2 DSP和PC的編程

DSP程序首先初始化'C5402和模擬接口。在分配好相應的緩沖區和產生相應的中斷之后，進行各項音效處理算法，例如：壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲抑制ZNR、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時反唱等，或者幾種算法混合進行。

PC的編程包括DSP接口部分和應用層編程部分。在PC程序的開始，與DSP接口部分的程序先調用初始化函數，將DSP程序下載到DSP(初始化程序在DSP中載入一個很小的自舉程序，然后通過自舉程序一段一段地把全部程序載入DSP)中。初始化完成后，與DSP接口部分程序再按自定義的"通信協議"在指定位置讀出DSP處理結果幀或DSP的請求幀，并將它交給上一層(應用程序)處理。應用程序亦通過與DSP接口部分程序向DSP發出各種命令。上層應用程序是用戶使用系統的界面，它提供語音數據庫管理和系統管理等功能。

3.3 基于優化工具的程序優化

根據用戶的要求，選擇C程序優化器和匯編優化器，對編碼器的特定性能如代碼長度、計算速度等進行優化。使用方法是在編譯(Built Options)時設定不同的編譯選項來控制優化目標。根據我們的實踐，認為選擇下列幾項進行優化對提高計算速度等的影響較大：

(1) -pm：程序級全局優化，包括程序的外部訪問、全局變量的優化和函數的外部調用。
(2) -o3：采用三級優化技術。其中第一級優化主要完成消除無用賦值和局部公共表達式等，第二級優化主要完成循環算法的優化并將循環中的數組訪問轉化為指針增量形式、實施循環展開、消除全局公共子表達式和無用賦值等，第三級優化主要完成消除冗余代碼、簡化表達式和語句、使用內聯(inline)函數并展開等。-o3在上述基礎上還完成消除從未使用的函數、對函數聲明進行重排序和對函數使用內聯形式等。
(3) 使用內聯函數(intrinsic)。 'C5402編譯器提供的intrinsic可以快速優化C代碼。Intrinsic是直接映射為內聯的'C5402指令的特殊函數(ETSI函數)。Intrinsic用前下劃線表示，使用時同函數的調用一樣。

實踐表明：選擇上述幾項進行優化，只要編譯選項選擇適當，其效果是很顯著的，計算速度可提高5~10倍，當然其代碼長度會有少許增加。

3.4 音頻信號處理算法簡介

在聲音的拾取和傳輸過程中，由于設備和器件的限制，其幅度對頻率的響應并不是一致的，極有可能出現某些頻率成分的增益太大或太小。對于頻率響應特性的這類缺陷，需要進行適當的調整。音頻信號的均衡算法，就是通過軟件設計調節某些頻率成分的增益，對其進行提升或衰減。聲音信號經均衡處理后，可以彌補頻率響應特性的缺陷，也可以人為地制造一些較好的音響效果。

另外，樂音具有較大的動態范圍，但音響設備本身允許的信號動態范圍是有限的。如果對樂音不作處理直接送到音箱，則會產生大信號過載而失真?從而使小信號淹沒在噪聲中的情形，音質因而下降。設計算法對音頻信號進行壓縮處理，其目的就是來改變信號的動態范圍，使大信號的強度變弱，小信號的強度增強，即信號的放大倍數隨著輸入信號的電平而改變。壓縮算法要保證系統的頻率響應保持平坦。
當然，音頻信號的處理是一個很復雜的過程，例如電吉它音效器還包括調制、延時混響等算法的處理。

本文設計的音頻信號采集與處理系統，已作為電吉他等音效器研制的硬件試驗平臺，并具有如下算法：壓縮模塊、失真模塊、ZNR/AMP模塊、均衡模塊、調制模塊、延時混響模塊。各個模塊可以單獨使用，也可以串聯使用，并采用兩個LED數碼顯示器表示選擇好的混合
音效模式。它大大改變了電吉它自身的音色，可產生壓縮、失真、蛙聲、房間噪聲抑制(ZNR)、放大、均衡、合唱、鑲邊、延時反響等多種單獨的音色效果，也可同時使用幾種音色效果，極大地豐富了電吉他現場演奏效果。把相同的電吉它信號分別輸入Z00M 505 (日本ZOOM公司生產)和該系統，然后分別把輸出波形在時域與頻域以及幅值與相位上進行分析比較，進行算法的優化處理，可以發現最終音色效果相差無幾。另外，在此系統中，既有A/D又有D/A，構成一個閉環，可自發自收；而算法則集中在DSP芯片內進行模塊化處理，這給系統的設計和調試帶來了很大的方便。所以，如果能在本文提出的以TMS320VC5402 DSP芯片為核心器件的音頻信號采集與處理系統的基礎上，設計出功能及效果與ZOOM 505相媲美的電吉它音效器，可以從根本上改變國內目前的電吉它音效器市場基本上被國外產品所壟斷的局面[3]，具有很強的實用價值。