基于DSP的吉他音效器的设计与实现

由图3可知，延时实际上是音频数据延迟一个时段后再输出，是通过在系统内存中定义的环形缓冲区实现，该缓冲区由读/写利用的地址指针确定，每次对数据延时的过程是指针从先前的指定时段前的数据和当前数据做加成，并更新指针指向下一位置。由于内存缓冲区的地址是线性的，为实现环形缓冲区的结构，充分利用了TMS320C6713具备零消耗循环控制的专门部件，不必每次指针指向地址到缓冲区上界时自动跳到下界，而是在上界时将计数器减1直到缓冲区的下界，在硬件上完成循环跳转和计数器的衰减，从而减小系统的开销以提升系统运行效率。

此外延迟时间由系统采样频率和延迟线单元数共同决定，初始采样频率是96kHz，TMS320C6713芯片可支持512MB的最大寻址，因此本系统的延迟时间使用模数寻址方式快速实现。

3.2 混响算法

实现混响功能的基本单元是全通滤波器^[3]，但经测试发现级联或单个的全通滤波器回声是周期性的且密度较低，从而形成较大的声摆效应，对音效器的效果造成较坏的影响。其解决方法是使用嵌套的全通滤波器，如图4所示，即在一个全通滤波器的延时单元中插入另一个延时滤波器。在图4中为并不是延时单元而是全通滤波器，其Z变换为：

(1)

(1)式中X、Y分别是嵌套滤波器的输入和输出， H(z)的模为：

(2)

由(2)式可知，若G(z)为全通滤波器，则H(z)也为全通滤波器。这样嵌套较大的优点是提高吉他混响音效的时域响应效果，其原理是由于嵌套全通滤波器中内部滤波器产生的回声经过外部滤波器的反馈环路，从而重新用作输入信号。因此，该系统生成的回声个数比常规全通滤波器的回声个数相比要多，而且嵌套全通滤波器的回声相互间隔不是固定的，这也与常规全通滤波器不同。同时无论如何嵌套，由于使用的是全通滤波器，系统的稳定性得到保证，避免了采用梳状滤波器等条件下的振荡和不稳定性。

4 系统测试

为验证吉他音效器的指标是否达到设计需求，采用音频测试软件RMAA(Right Mark Audio Analyzer)^[8]，该软件下载于俄罗斯硬件资讯网站，可用于对本文的音效器进行电声性能测试，主要项目包括频率响应、本底噪声、动态范围和互调失真等四项，其测试结果为：

(1)频率响应反映了音效器的音响系统对吉他输出的不同频率信号的还原特性，测试发现吉他音效器的频率响应曲线过渡平滑，各频率点没有明显衰减，近似为一条直线，在20Hz-2kHz的频率响应不超过0.3dB，在2kHz-20kHz的频率响应不超过0.1dB，满足系统频率响应不超过0.4dB的指标要求。

(2)本底噪声主要反映吉他音效器的抗干扰性能，测试结果为音效器的左、右声道的本底噪声分别是-95.3dB和-92.1dB，在没有音频信号输出时音箱不会出现交流声，达到系统设计时设定的本底噪声指标要求。

(3)动态范围是声卡输出最高音量和最低音量的相对比较值，吉他音效器的测试结果为83.3dB，达到设计要求。

(4)互调失真主要反映系统的非线性失真程度，音效器的互调失真测试结果为0.012，满足系统指标要求。

综上所述，使用RMAA测试本文的吉他音效器的指标均满足系统设计要求，且吉他音效结果经听音师试听，得到了充分的肯定。

5 结论

以TMS320C6713芯片为核心，结合模数转换芯片PCM1804、数模转换芯片PCM1730所进行系统硬件电路的设计，实现增强音效器对音频信号的实时快速处理，通过环形缓冲区实现了系统高效率的延时功能，并使用嵌套的全通滤波器实现混响音效，使用RMAA对音效器进行测试的结果表明音效器主要指标达到了系统设计需求，具备较好的性能和应用价值。

参考文献：

[1]谭志宏,景德胜,缑丽敏.基于DSP的高速AD采集系统设计与实现[J].电子技术设计与应用,2014,44(12):41-44

[2]王鲜芳,杜志勇.基于TMS320VC5409的电吉他音效器的设计与实现[J].电声技术,2005,31(9):28-30

[3]张兆伟,王舒文,李文月等.基于TMS320C6713的多功能数字音效器[J].数据采集与处理,2012,27(11):199-204

[4]王天宝.数字调音系统的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2010

[5]刘越.数字音效算法的研究与实现[D].大连:大连理工大学,2011

[6]刘睿.一种基于DSP的音频实时处理系统[J].现代电子技术,2011,34(1):85-87

[7]肖启洋,张忠慧,方元.基于DSP的声反馈抑制系统的研究与实现[J].电子技术应用,2013,29(1):13-16

[8]李渊洋.基于DSP的音效处理器设计与实现[D].广州:华南理工大学,2011