DSP在音频领域的应用
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作者: 张鹏
[关键词]DSP；音频领域；应用
数字信号处理(Digital Signal Processing，简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。随着数字信号处理技术的日益推进，DSP领域的科技成果越来越普遍的应用于音频领域并大大的推动了音频科技的进步。
一、DSP的优势
数字化的音频产品必将涉及将类比信号转换成数字信号后加以传输的问题。而在这种转换的过程中需要做大量的数学运算，因此必须选择运算快速的微处理器才能完成实时的字信号处理。而市面上的微处理有成百上千种，各有其特色及对应的应用场合，DSP以其特有的优势更适合音频领域。
DSP具有两条内部总线，一个是数据总线，一个是程序总线；而传统的微处理器内部只有一条总线供数据传输与程序执行使用；从上面我们已经看到ModifiedHarvard架构在大量数学运算方面有着强大的优势，在DSP内部具有硬件乘法器，大量的寄存器，目前最快的可在一个指令周期内完成32bit乘32bit的指令，而传统的微处理器运算系以微代码来执行，碰到乘法运算指令时就得消耗掉好几个指令周期，加上传统的微处理器中的寄存器较少，不得不经常从外部储存器传输数据来进行运算，而DSP指令具备重新执行功能，因此在数学运算速度超越一般传统的微处理器。归纳起来DSP具备有以下的特点：内建乘法累加器；指令管线化；多总线与存储空间；循环寻址与位重新寻址；零负荷循环运算；晶片内含存储体与存储体介面。
总地说来与通用微处理器相比，DSP微处理器（芯片）有以下优缺点
DSP优点：对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小；容易实现集成；VLSI；可以分时复用，共享处理器；方便调整处理器的系数实现自适应滤波；可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；可用于频率非常低的信号。
DSP缺点：需要模数转换；受采样频率的限制，处理频率范围有限；数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。
可以说其优点远远超过缺点。
二、DSP在音频领域的应用
DSP以其强大的运算能力及优良的性能价格比已经成为大量的数字化音频设备的核心构件，在音频信号处理上有很多的应用，下面简单介绍几点。
1.声反馈控制。从模拟的移频， 到数字的陷波， 如今的第三代数字声反馈消除器，其优势主要在于高质量的音频信号的重放。而且采用自适应处理的方式对现场扩声的声反馈进行有效的动态滤出，外加最先进的语音信号处理。主要应用在需要做现场扩声的所有音频系统中，高端的DSP音频产品能够不断消除系统中产生的声反馈，独有的专利技术可以连续高速的对整体数字信号进行采样，并同时还可以处理其他信号，诸如更加高端的回声消除和噪声消除，而更为惊喜的是带给现场音频工程师的则是无须调试的完全应用。
2.动态处理。中小规模音频系统常常受其放大器和扬声器的功率限制。另外，由于音箱的尺寸小，低频扬声器的频率响应经常在较低频率上有一个过早的自然滚降。因此，采用相当强的均衡是非常流行的做法，特别是在低音区，以便补偿这种声音的不完善设置。最后，通常希望系统具有很高的最大音量。系统的有限的放大器功率、较重的低音均衡和高的系统总响度三者相结合，很快使放大器饱和并开始产生严重失真，这会给人们带来不满乃至厌烦的感受。以前试图解决这个问题的几种方法都使用了可以避免削波失真简单的削波检测器，但由此导致的人为杂音与削波失真一样的不佳效果。然而，使用DSP专业品质、双频段动态处理器可以控制该系统的限制而不产生人为杂音。
3.提高系统的清晰度和响度。一个是带转折点可调的压缩器与限幅器功能的传输函数。由于使用动态处理，可以在高音量区无失真地处理自然削波电平。这实际上允许用户把系统音量提高约10dB。音量增加10dB表示声压级增加了一倍，从而用户可以将系统的响度提高到原来的两倍。这样就需要对现实世界影响声音因素的调整， DSP动态处理器的传递函数可任意调整，它可以将几种动态处理功能组合为一条功能曲线。它有四种典型功能，包括：压缩、限幅、扩展和噪声门限。由于这种传递函数完全可编程，所以这些功能非常容易实现，即可单独使用，也可以组合起来使用。
自从数字化的音乐规范开始流行后，因数字信号处理所附带的弹性因素，已在影音讯号的储存、传送、播放上，产生了许多开放规范和专属规范。对使用者而言，它们带来的效果，除了更耐久更廉价的储存媒介、更多元化的接收管道外， 也包括更绚丽的视听效果。但在终端获得和原始影音信号源相当的影音效果，到目前为止都仍然是昂贵且不见得有效的。为了实现所谓的“环场音效”，目前已有诸如DolbySurround、DolbyProLogic、AC-3、THX等各式开放规范，也有商品化的解码晶片。但整个环节中最弱的一环，是在由扬声系统到人耳的这一段。这一段的传递函数因不同的听音者，不同的听音环境而随机的改变，甚至差异极大。原始录音工程师的心血，在这一段经常被糟践无遗。而且和传统音响系统相同，这个性能最不轻易把握的环节，往往也是投资昂贵的一个环节。针对这一环节，DSP提出的解决方案。是独立于上述开放规范之外，来建立一个近似环场音效系统，在信号后期处理阶段，则以更人性化的双声道，来模拟上述规范所要求的四加一或五加一声道的要求，并且DSP以其强大的运算能力及优良的性能价格比已经成为越来越多的数字化音频设备的核心构件，随着科技的进步，DSP技术的日益完善，相信DSP的未来就是数字化音频领域的未来。□
（编辑/穆杨）
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