车载多媒体系统数字音效DSP软件设计

虞晓琼 ，陈冰冰 ，季统凯

(1.广东电子工业研究院,广东 东莞 523808;2.佛山市顺德工业与信息技术研究中心,广东 佛山 528300)

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。

图2 均衡器

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：

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。

图5 音效调节流程图

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。

图6 系数计算流程图

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。

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。目前该系统音效已成为产品的突出卖点。

图7 5.23形式示意图

图8 将系数转换为5.23格式的流程图

[1]TI.TAS3103A digital audio processor with 3D effects，2006.

[2]张涛,贺家琳,杨东明.TI DSP在音频处理中的应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

[3]韩纪庆.音频信息处理技术[M].北京：清华大学出版社，2007.

[4]TI.TAS3103 equalization filters，2003.

[5]JOHNSON R B.Cookbook formulae for audio EQ biquad filter coefficients[M].2002.

[6]TI.Single TAS3103 in 5.1 channel audio system，2002.