虞曉瓊 ，陳冰冰 ，季統(tǒng)凱

(1.廣東電子工業(yè)研究院,廣東 東莞 523808;2.佛山市順德工業(yè)與信息技術研究中心,廣東 佛山 528300)

隨著中國汽車市場的不斷擴大，消費者購車的需求已經(jīng)悄然發(fā)生變化，車輛的舒適性、便捷性、娛樂設備配置逐漸成為選車的新標準。車載多媒體系統(tǒng)最初只裝備在個別高端車型上，隨著汽車市場的不斷發(fā)展和各品牌車型的更新?lián)Q代，這套系統(tǒng)已經(jīng)逐步成為一般車型的常用裝備。多媒體系統(tǒng)為車主提供了諸多方便，使駕車出行變得輕松。車主可以使用廣泛的信息和娛樂系統(tǒng)，例如收音機、CD播放器、TV、導航系統(tǒng)和車載電話等。消費者對車載多媒體系統(tǒng)的聲音質(zhì)量要求越來越高,高水平的音效成為車載多媒體電子產(chǎn)品的重要賣點。設計師們通過專業(yè)的數(shù)字信號處理器來實現(xiàn)精準的音效處理，提升系統(tǒng)的音質(zhì)。

1 系統(tǒng)結構

本文設計的是一個高品質(zhì)車載影音多媒體系統(tǒng)。該方案采用了全數(shù)字16:9液晶顯示屏，分辨率高達800×480。

系統(tǒng)以雙核SoC為主處理器，處理器內(nèi)置圖形加速部件具備獨立顯存，令影像播放效果更加流暢。系統(tǒng)可接入四路視頻信號，分別為DVD、倒車后視攝像頭、IPOD的視頻和外接備用視頻,通過AD轉換器轉換為ITU656標準視頻信號，輸入主處理器。

在音頻方面，不同于市面上其他產(chǎn)品，本系統(tǒng)的CD碟機與SD卡媒體播放音頻采用全數(shù)字I2S格式輸出，音源全數(shù)字域切換，并直接進入專業(yè)的數(shù)字音頻信號處理器（DSP）中，進行全數(shù)字音頻均衡、高低音調(diào)節(jié)，并可以實現(xiàn)3D聲場效果。該功能完全不同于普通車載音響采用的模擬濾波器音頻均衡方式，令音質(zhì)更加完美。音頻數(shù)模轉換部分采用業(yè)內(nèi)公認的高品質(zhì)24 bit DAC轉換器，DAC內(nèi)置過采樣高階數(shù)字低通濾波器。DAC輸出后的模擬有源濾波器采用4階巴特沃斯型。有源濾波采用發(fā)燒級運放NE5532，模擬音頻部分采用LDO單獨供電，使得音質(zhì)更完美。具體結構如圖1所示。

2 數(shù)字音效軟件設計

多媒體系統(tǒng)采用均衡器EQ(Equalizer)調(diào)節(jié)音效。均衡器可以分別調(diào)節(jié)各種頻率成分電信號放大量，從而補償揚聲器和聲場的缺陷，具有補償、修飾各種聲源及其他一些特殊作用，即音效。一般的多媒體系統(tǒng)都支持幾種預置的音效，如正常、搖滾、爵士、民歌、布魯斯、古典、重金屬等,也可以由用戶自己調(diào)節(jié)幾個主要頻段的增益。

2.1 算法簡介

調(diào)節(jié)聲音效果的重要工具均衡器把若干濾波器組合在一起，各自帶有中心頻率、Q、提升或衰減量的控制,如圖2所示。

圖2 均衡器

定義如下均衡器參數(shù)：Fs為采樣頻率、f0為中心頻率、dBgain為增益,以分貝為單位、Q為品質(zhì)因數(shù)(中心頻率f0和帶寬B之比，Q值越大,表明濾波器頻率分辨力越高)。

然后計算一些中間變量：

2.2 DSP簡介

TAS3103支持3D和環(huán)繞立體聲的算法，可實現(xiàn)軟件音量控制，低音和重音控制功能，以及每一信道多達12波段的獨立的信道均衡。3個通道中各有12個雙線性濾波器，可以實現(xiàn)12個波段的增益調(diào)節(jié)。雙線性濾波器的結構如圖3所示。

雙線性濾波器傳遞函數(shù)為：

2.3 DSP軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)音效調(diào)節(jié)有兩種方式：

(1)選擇預置音效模式：包括 NOMAL(一般)、POP(流行)、CLASSIC(經(jīng)典)、JAZZ(爵士)、ROCK(搖滾)共 5 種模式。

(2)用戶自定義模式：手動設定各個頻點的增益，本DSP可支持多至12個頻點的增益設置，為產(chǎn)品升級預留空間，本界面實現(xiàn)了5個頻點,但具體實現(xiàn)方法和流程是完全相同的。

音效調(diào)節(jié)界面如圖4所示。

音效調(diào)節(jié)的流程如圖5所示。

圖5 音效調(diào)節(jié)流程圖

當用戶選擇預置的音效模式(一般、流行、經(jīng)典、爵士、搖滾)時，將預置的參數(shù)設定入存儲器。

在自定義模式下，實現(xiàn)音效調(diào)節(jié)需要進行增益讀取、系數(shù)計算、參數(shù)轉換和參數(shù)設置幾個步驟。

2.3.1 增益讀取

增益限定為-12 dB～12 dB，由于是圖形化界面調(diào)節(jié)，為使用方便，參數(shù)取整數(shù)。單擊“+”，增益值加 1;單擊“-”，增益值減 1。 將增益通過驅動 DeviceIoControl（）函數(shù)傳遞給DSP TAS3103A。

2.3.2 系數(shù)計算

系數(shù)計算要用到采樣頻率、中心頻率、增益、品質(zhì)因數(shù)幾個參數(shù)。

(1)增益：由于用戶設定的各頻點增益單位是 dB，因此先要換算為倍數(shù)。

(2)采樣頻率：由音源的采樣頻率確定，本系統(tǒng)中TAS3103A的輸入端為DVD光驅，其采樣頻率為44.1 kHz。

(3)中心頻率：根據(jù)人耳的特性，5個中心頻點分別為：50 Hz、200 Hz、1 kHz、3 kHz、14 kHz。

(4)品質(zhì)因數(shù)：按照業(yè)內(nèi)通行算法，取值為1。

系數(shù)計算流程如圖6所示。

圖6 系數(shù)計算流程圖

2.3.3 參數(shù)轉換

32位寄存器中有效位數(shù)為28位,格式為5.23形式，5位是整數(shù)部分(最高位為符號位)，23位是小數(shù)部分,具體示意如圖7所示。

將系數(shù)轉換為5.23參數(shù)的格式的具體流程如圖8所示。

2.3.4 參數(shù)設置

參數(shù)設置通過I2C總線對TAS3103A進行讀寫操作來實現(xiàn)。

3 應用效果

選用預定模式中爵士音效，實現(xiàn)從2 kHz開始，高音shelf濾波，使得JAZZ模式樂器和聲音效果更加飽滿，如圖 9、圖 10所示。

本文介紹了車載影音多媒體系統(tǒng)的總體設計，并重點說明了多媒體系統(tǒng)中用均衡器來調(diào)節(jié)音效的原理、算法以及在TI公司的音頻DSP TAS3103A上實現(xiàn)的方法。目前該系統(tǒng)音效已成為產(chǎn)品的突出賣點。

圖7 5.23形式示意圖

圖8 將系數(shù)轉換為5.23格式的流程圖

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

[2]張濤,賀家琳,楊東明.TI DSP在音頻處理中的應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]韓紀慶.音頻信息處理技術[M].北京：清華大學出版社，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.