一种基于dsp的多通道数字音频处理器的制造方法
【专利摘要】本发明属于电子与电路【技术领域】，尤其涉及一种基于DSP的数字音频处理应用技术，一种基于DSP的多通道数字音频处理器，包括DSP数字音频处理部分和音频输入输出控制电路部分，所述DSP数字音频处理部分包括支持多通道音频处理的专用DSP处理器，所述音频输入输出控制电路部分包括MCU控制电路、CODEC音频编码解码器、差分放大输入输出电路、时钟电路，串口通信电路、外部flash储存器以及电源电路。本发明基于DSP的多通道数字音频处理器具有集成度高、稳定性好，扩展性强、可编程控制和支持远程应用升级等优点，目前广泛应用与汽车音频处理、专业音响、导航系统、娱乐系统、数字功放等领域。
【专利说明】一种基于DSP的多通道数字音频处理器
【技术领域】
[0001]本发明属于电子与电路【技术领域】，尤其涉及一种基于DSP的数字音频处理应用技术。
【背景技术】
[0002]随着数字技术的发展，数字化音频技术取得了很大的进步。从二十年前引入的CD开始，发展到SACD、DVD音频唱盘到现在的MP3多媒体播放器，数字化音频技术极大程度改变着人们的生活体验和听音习惯。
[0003]数字化的深入，使得IT行业和音频行业的结合更加紧密，在过去的二十年中，虽然数字音频处理技术得到了大力的发展，但在音响行业，大部分的音频处理还是模拟的方式。传统的模拟音频设备采用器件搭建实现，体积大、精度低而且稳定性差，易受外界环境干扰，而采用数字技术的音频设备以其精度高、体积小、可靠性好、扩展性强、并且方便二次开发和后期升级，正在成为音频行业关注的新的技术焦点。
[0004]目前，国内基于DSP的多通道数字音频处理产品还很少，数字信号处理技术主要集中在MP3的解码、语音识别处理方面，数字音频处理器主要被日本和美国的产品垄断，所以价格昂贵，国内缺乏自主研制和生产的数字音频处理器的核心技术，很多音频处理器还停留在模拟实现，相对于数字化音频处理技术，其成本高、精度低、易受外界环境影响、稳定性差，所以DSP数字音频处理器在国内还处于起步发展，有很大的提升空间和潜在的消费市场。
[0005]随着技术的发展，未来数字音频处理器集成度越来越高，模块化的设计使其在音频领域的舞台变得更加宽广，它将在汽车音响、家庭影院、公共广播系统、演出音响等领域得到更加广泛的应用。将模块化的数字音频处理器内嵌到有源音箱中，做喇叭单元分频器，对音箱的频响曲线校正，汽车用户可以将播放设备无缝地接驳到汽车音响中，在旅途中尽情享受影音的乐趣；演出音响可以通过PC机远距离控制和调节各点的声音特性，使人们最大程度融入和享受演出的氛围。
[0006]目前，虽然数字音频处理技术得到了大力的发展，但在国内音响行业，大多数音频处理还是采用模拟技术，早期的数字音频处理采用通用的DSP芯片和外部模数/数模转换器(ADC/DAC)，这样的方案实现起来非常困难，不仅耗时而且成本很高。随着家庭影院、汽车音响和舞台音响等领域的迅速发展，对多通道、高音质、灵活性强的音频处理器需求越为迫切。
[0007]现在市场上已经出现了提供专业品质的数字声音处理的音频专用DSP芯片的解决方案，可以使用图形工具进行开发和编程，设计的产品信噪比(SNR)高、音质好、性价比高，便携性和易于使用性更是深受用户欢迎。
【发明内容】
[0008]本发明旨在提供一种基于DSP的多通道数字音频处理器，系统具有体积小，音质高，稳定性好，精度高，功耗低等特点，并且扩展性强，方便二次开发和后期升级。
[0009]本发明采用的技术方案是:一种基于DSP的多通道数字音频处理器，包括DSP数字音频处理部分以及与DSP数字音频处理部分电性连接的音频输入输出控制电路部分，DSP数字音频处理部分采用音频专用DSP处理，支持多通道音频处理，完全满足7.1声道音响系统的需求，可配置参数包括增益、相位、静音、参量均衡(输入/输出多段，频点、增益和Q值参数可调)、混音路由、高/低通滤波器、延时、压限器和电平检测，所述DSP数字音频处理部分包括支持多通道音频处理的专用DSP处理器，所述音频输入输出控制电路部分包括MCU控制电路、CODEC音频编码解码器、差分放大输入输出电路、时钟电路，串口通信电路、外部flash储存器以及电源电路；进一步地，所述CODEC音频编码解码器接收来自差分放大输入电路的模拟音频信号采样量化成I2S数字信号传输给DSP处理器进行音频算法处理，处理完的信号通过I2S总线传输回CODEC音频编码解码器再由CODEC音频编码解码器转化为差分音频信号输出，经过差分放大输出电路转化模拟音频信号输出，所述MCU控制电路通过串口通信电路与终端设备的连接对DSP处理器实时控制并配置DSP处理器内部参数，并将配置好的参数保存到外部FLASH存储器。模拟的音频信号要通过采样、量化和编码过程转换成数字信号，才能传输给DSP处理器进行加工处理，因此需要CODEC音频解码器完成这个转换过程，基于DSP的多通道数字音频处理器的MCU负责系统通信和系统控制，当有模拟音频信号输入，经差分放大输入电路放大输入到CODEC音频解码器，CODEC音频解码器将模拟信号采样量化成I2S数字信号传输给DSP处理器进行音频算法处理，处理完的信号通过I2S总线传输回CODEC音频解码器再由CODEC音频解码器转化为差分音频信号输出，经过差分放大输出电路转化模拟音频信号输出，完成信号的输入、转换、处理和输出的过程。在整个过程中，系统MCU通过USB或RS232串口与终端设备连接，可实时配置DSP内部参数，实现系统增益、相位、静音、参量均衡、混音路由、高/低通滤波器、延时、压限器和电平检测的实时调节，由于系统对存档数量有要求，所以片上集成的FALSH空间不能满足，需要外部扩展FLASH存储器，系统定时将配置好的参数建立成存档保存到外部FLASH存储器(存档数量视外部FLASH存储器大小而定)，下次开机时系统将自动调用掉电前保存的参数值，也可以通过终端设备随意调用存档。并且，差分信号比普通单端信号在走线方面有更多的优势，另外，差分信号比普通单端信号抗干扰能力更强，因为差分信号的两条信号线耦合好，受外界干扰时两条信号线电压差值变化不大。差分信号比普通单端信号时序更加精确，另外差分信号能有效抑制EMI，因为两根信号线的极性相反，多外辐射的电磁场可以相互抵消。此夕卜，基于DSP的多通道数字音频处理 器的DSP数字音频处理采用双二阶滤波器、动态处理器、延迟、音调与噪声发生器、混频器、音量控制、虚拟环绕效果器、低音增强、扬声器均衡、多频段压缩、限幅等多种专业算法来弥补扬声器、功放和听音环境的实际限制，从而明显改善音质体验，可广泛应用与汽车音频处理、专业音响、导航系统、娱乐系统、数字功放等领域。
[0010]可选地，所述串口通信电路为USB串口通信电路或RS232串口通信电路，所述USB串口通信电路采用FT232 USB转串口芯片，所述RS232串口通信电路采用MAX232串口电平转换芯片。
[0011]优选地，所述时钟电路包括连接于DSP处理器的DSP时钟、连接于MCU控制电路的MCU时钟，以及供给CODEC音频编码解码器的I2S时钟。[0012]进一步地，所述DSP时钟采用外部12.288MHz的有源晶振，所述DSP时钟采用外部8MHz的无源晶振，所述I2S时钟由DSP处理器输出。
[0013]优选地，所述电源电路采用LMl 117-3.3稳压芯片为所述MCU控制电路、DSP处理器和CODEC音频解码器提供电压，基于DSP的数字音频处理器的电压采用外部供电，因此，电路中数字地和模拟地分开设计有效减少数字信号对模拟信号的干扰。
[0014]优选地，所述差分放大输入输出电路采用NE5532运算放大器设计。
[0015]优选地，所述CODEC音频编码解码电路采用集成的CS4272芯片，其采样频率最高可达192Hz，采用差分模拟结构，114dB动态范围，信噪比大，声音保真度高，广泛应用于混音台、效果处理器和车载音响等系统。
[0016]优选地，所述DSP处理器为28-/56_bit，50 MIPS的多通道专用DSP音频处理器，内核频率172 MHz，单片指令数3584 (48 kHz)，片上集成4k参数RAM和8k数据RAM，采用完全56位双精度模式完成，有极佳的低电平信号性能，动态处理器采用先进多断点算法。在TDM模式下，拥有24通道数字输入和输出和立体声SA3DIF输入和输出，外部可以通过一个四线式SPI端口对其进行控制和参数配置，也可以通过此端口进行在线编程仿真，使用图形工具进行开发和编程。
[0017]优选地，所述MCU控制电路采用拥有32位ARM Cortex M3内核的STM32增强型系列芯片，片上集成有128-512K FLASH，多达六个通用的16位定时器，有两个I2C和3个串口，接口资源丰富，在系统中主要负责系统初始化和数据通信。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果是:功能齐全，SP处理器系统可配置参数包括增益、相位、静音、参量均衡、混音路由矩阵(FARM)、高/低通滤波器、延时、压限器和电平检测等；精度高，DSP处理器系统采用数字化音频处理技术可以达到模拟电路无法比拟的系统精度，系统的DSP芯片完全28位处理(双精度模式下为56位)，CODEC音频编码解码芯片采用24位48K采样频率，信噪比可达IOOdB以上；稳定性高，DSP处理器系统使用数字电路设计，抗干扰能力强，音频信号采用差分输入输出，有效抑制环境的EMI，也提高了系统的稳定性和可靠性；扩展性强，DSP处理器系统支持DSP硬件在线编程，还可以通过控制终端设备对DSP参数进行实时配置，可重复性好，所以产品非常适合在不同应用领域进行二次开发，并且缩短了开发周期，节约成本；兼容性好，随着技术的发展，电子产品换代日新月异，系统的兼容设计对产品的应用和推广尤为重要，DSP处理器系统设计充分考虑与其他数字产品的兼容，即插即用的设计理念使产品能快速简易地安装到其他应用产品的硬件设备中，降低产品安装应用难度；可远程升级，技术的多元化发展使得电子产品在市场上的应用需求也变得千变万化，产品快速有效的升级模式，对产品的使用和维护意义重大。DSP处理器系统设计嵌入了用户远程升级功能，用户可以借助电脑超级终端对系统的应用程序进行升级而不需要重新回厂处理；保密性强，高科技新产品都具有很高的保密性，DSP处理器系统DSP内部硬件采用超大规模集成，并且电路加入了加密算法，相比模拟技术产品保密性能明显优越，并且系统底层程序和应用程序分开，提供用户升级的BIN文件也使用了独特的加密算法，大大提高了系统的保密程度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本发明DSP多通道数字音频处理器系统框架。[0020]图2为本发明DSP内部音频处理功能框架图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0022]如图1所示一种基于DSP的数字音频处理器，包括DSP数字音频处理部分和音频输入输出控制电路部分，其中音频输入输出控制电路部分包括差分放大输入输出电路、CODEC音频编码解码器电路、MCU、电源电路、时钟电路、USB和RS232串口通信电路、外部FLASH储存器扩展电路。
[0023]差分放大输入输电路可以采用TI公司的NE5532运算放大器设计，差分信号比普通单端信号在走线方面有更多的优势，首先，差分信号比普通单端信号抗干扰能力更强，因为差分信号的两条信号线耦合好，受外界干扰时两条信号线电压差值变化不大。差分信号比普通单端信号时序更加精确，另外差分信号能有效抑制EMI，因为两根信号线的极性相反，多外辐射的电磁场可以相互抵消。
[0024]模拟的音频信号要通过采样、量化和编码过程转换成数字信号，才能传输给DSP处理器进行加工处理，完成这个转换过程的是CODEC芯片，CODEC音频编码解码电路可以采用Cirrus Logic公司高性能集成的CS4272芯片，采样频率最高可达192Hz，采用差分模拟结构，114dB动态范围，信噪比大，声音保真度高，广泛应用于混音台、效果处理器和车载首响等系统。
[0025]基于DSP的数字音频处理器的MCU采用32位ARM Cortex M3内核的高性能、低成本、低功耗微处理器，可采用ST公司STM32增强型系列芯片，片上集成有128-512K FLASH,多达六个通用的16位定时器，有两个I2C和3个串口，接口资源丰富，在系统中主要负责系统初始化和数据通信，
串口通信接口可以采用MAX232串口电平转换芯片和FT232 USB转串口芯片。
[0026]基于DSP的数字音频处理器的DSP时钟采用外部12.288MHz的有源晶振，时序精确度高，MCU时钟采用外部8MHz的无源晶振，CODEC的I2S时钟由DSP输出，采样时钟48K，采样位数24-Bit。
[0027]基于DSP的数字音频处理器的+15V、_15V和5V电压采用外部供电，另外考虑3.3V要给MCU、DSP和CODEC供电需要较大电流，因此可采用美国国家半导体公司的LM1117-3.3稳压芯片提供3.3V，电路中数字地和模拟地分开设计有效减少数字信号对模拟信号的干扰。
[0028]由于系统对存档数量有要求，所以片上集成的FALSH空间不能满足，需要外部扩展FLASH存储器，FLASH存储器扩展电路主要用来存储配置DSP参数的存档，本文选用ATMEL公司的AT4OTB041作为存储器扩展芯片，与MUC连接通过I2C总线进行数据读写。
[0029]处理器的核心处理部分是DSP处理器，本文采用ADI公司的SigmaDSP系列28-/56-bit，50 MIPS多通道专用DSP音频处理器，内核频率172 MHz，单片指令数3584 (48kHz)，片上集成4k参数RAM和8k数据RAM，采用完全56位双精度模式完成，有极佳的低电平信号性能，动态处理器采用先进多断点算法。在TDM模式下，拥有24通道数字输入和输出和立体声SA3DIF输入和输出，外部可以通过一个四线式SPI端口对其进行控制和参数配置，也可以通过此端口进行在线编程仿真，使用图形工具进行开发和编程。
[0030]模拟音频信号输入经差分放大输入电路放大输入到CODEC音频解码器，CODEC音频解码器将模拟信号采样量化成I2S数字信号信号传输给DSP处理器进行音频算法处理，处理完的信号通过I2S总线传输回CODEC音频解码器再由CODEC音频解码器转化为差分音频信号输出，经过差分放大输出电路转化模拟音频信号输出，完成信号的输入、转换、处理和输出的过程。在整个过程中，系统MCU通过USB或RS232串口与终端设备连接，配置参数可生成存档保存到外部扩展的FLASH存储器。
[0031]如图2所示，DSP多通道数字音频处理器系统可支持多通道音频处理，数字信号进入DSP后，DSP内部通过双二阶滤波器、动态处理器、延迟、音调与噪声发生器、混频器、音量控制、虚拟环绕效果器、低音增强、扬声器均衡、多频段压缩、限幅等多种专业算法实现输入/输出增益、相位、静音、参量均衡，高/低通滤波器、延时、压限和电平检测等参数实时可调的功能。
[0032]DSP多通道数字音频处理器系统可支持多通道音频处理，数字信号进入DSP后，DSP内部可配置输入/输出增益、相位、静音、参量均衡，高/低通滤波器、延时、压限和电平检测等参数，此外混音路由可以多路复用多个来源，以各种不同采样速率进出DSP内核的输入，从而简化音频系统中的信号路由和时钟问题。
[0033]本发明基于DSP的多通道数字音频处理器具有集成度高、稳定性好，扩展性强、可编程控制和支持远程应用升级等优点，目前广泛应用与汽车音频处理、专业音响、导航系统、娱乐系统、数字功放等领域。
[0034]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，包括DSP数字音频处理部分和音频输入输出控制电路部分，所述DSP数字音频处理部分包括支持多通道音频处理的专用DSP处理器，所述音频输入输出控制电路部分包括MCU控制电路、CODEC音频编码解码器、差分放大输入输出电路、时钟电路，串口通信电路、外部flash储存器以及电源电路。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述CODEC音频编码解码器接收来自差分放大输入电路的模拟音频信号采样量化成I2S数字信号传输给DSP处理器进行音频算法处理，处理完的信号通过I2S总线传输回CODEC音频编码解码器再由CODEC音频编码解码器转化为差分音频信号输出，经过差分放大输出电路转化模拟音频信号输出，所述MCU控制电路通过串口通信电路与终端设备的连接对DSP处理器实时控制并配置DSP处理器内部参数，并将配置好的参数保存到外部FLASH存储器。
3.根据权利要求2所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述串口通信电路为USB串口通信电路或RS232串口通信电路，所述USB串口通信电路采用FT232USB转串口芯片，所述RS232串口通信电路采用MAX232串口电平转换芯片。
4.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述时钟电路包括连接于DSP处理器的DSP时钟、连接于MCU控制电路的MCU时钟，以及供给CODEC音频编码解码器的I2S时钟。
5.根据权利要求4所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述DSP时钟采用外部12.288MHz的有源晶振，所述DSP时钟采用外部8MHz的无源晶振，所述I2S时钟由DSP处理器输出。
6.根据权利要求1所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述电源电路采用LMl 117-3.3稳压芯片为所述MCU控制电路、DSP处理器和CODEC音频编码解码器提供电压。
7.根据权利要求1飞任一项所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述差分放大输入输出电路采用NE5532运算放大器设计。
8.根据权利要求1飞任一项所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述CODEC音频编码解码器采用集成的CS4272芯片。
9.根据权利要求1飞任一项所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述DSP处理器为28-/56-bit，50 MIPS的多通道专用DSP音频处理器。
10.根据权利要求1飞任一项所述的基于DSP的多通道数字音频处理器，其特征在于，所述MCU控制电路采用拥有32位ARM Cortex M3内核的STM32增强型系列芯片。
【文档编号】G11C7/16GK103714847SQ201310747675
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】徐永键, 陈家承, 杨顺闻, 谭洪舟 申请人:广州市花都区中山大学国光电子与通信研究院