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浅谈 DSP 音频处理技术在汽车音响中的应用

来源:http://www.greensound.net.cn/news/2.html  发布时间 : 2018-09-08

浅谈 DSP 音频处理技术在汽车音响中的应用

近些年来,随着家用轿车的迅速普及,汽车音响,车载 GPS等车载娱乐设备也得到了大力发展。同时,由于人们获取音乐节目源的途径也日趋多样化,从传统的 CD,DVD,FM/AM收音,到现在的 GPS导航,3G,USB及智能手机,MP4等手持设备,车主们都希望能将这些音乐节目源和播放设备能无缝接驳到汽车音响系统中,以在旅途中能随时随地的享受影音乐趣,减轻旅途疲劳。因而,车载音响系统已经成长为继家庭影院之后的移动影院中心。

 

相比于家庭影院而言,车载影音系统更加注重于声音的质感。因而在汽车音响系统中对声音的重放和处理也就越来越高。在汽车这样一个有限的空间中,如何使音响系统能灵活的接驳多种音源并兼顾各种音源的不同特性(如音源的幅度大小不同,音源的品质不同,单多通道不同等),以提供驾乘人员完美的音乐享受,是我们今天的汽车音响系统设计师们的一个挑战。毫无疑问,由于传统的模拟音频处理方案处理能力简单,分离度大,在汽车环境中易受干扰等缺点,正在慢慢退出历史舞台, DSP数字音频处理技术以其强大而灵活的处理能力正在成为工程师们关注的新的技术焦点。DSP数字音频处理技术能在占用很少 PCB空间的情况下实现高低通滤波,多通道处理,多通道的混音,噪声门,压限, 31段图形 EQ,多通道多段 PEQ,低音管理,增益调节及音量调节,输入灵敏度的管理及延时,声场平衡和声场左右前后移动等等所有必须的音频处理功能。然而,正由于 DSP数字音频处理技术功能的强大及应用的灵活性,软件开发及声音的调试相对于传统的模拟音频处理来说要复杂得多,需要工程师们对于 DSP软件的处理及系统有比较深入的了解和研究。鉴于此,深圳市格律声电子科技有限公司( www.greensound.net.cn)凭借多年在 DSP技术领域的研究开发经验和对汽车音响系统的深入理解,特别推出了针对于汽车音响系统的 DSP音频处理模块,对于该系列模块的控制,只需通过 UART发送简单的命令,而且这些命令都可以由 G-SOUND的 GUI DSP开发工具实时生成,而不需要工程师们再去阅读枯燥的寄存器文档和深入了解 DSP的架构。本文以 GS1068在一个 4.1汽车音响系统的应用为例来讨论汽车音响系统的 DSP数字音频处理,以抛砖引玉,希望广大汽车音响系统设计师们能一起来参与讨论,以使我们能设计出更加高性价比的汽车音响系统,为我们汽车的驾乘者带来质的音乐体验。

 

格律声 G-SOUND系列音频处理模块内含 32Bit DSP处理器,相对于通用 DSP来说,该 DSP特别为音频处理做了优化,从而加速音频处理算法的计算来提高音频处理的实时性。内建高性能(108dB DR, -98dB THD+N)的 ADC,DAC;其中 GS1068 DSP数字音频处理模块还内含 SPDIF的接收解码器。该模块能够接收 6组立体声即 12通道的模拟音频输入,和一路 SPDIF的光纤或同轴数字音频信号;能同时处理两组立体声模拟音频和一路数字 SPDIF共 6通道的音频信号。 8通道的模拟音频直接输出。GS1068采用单 5V供电, UART通信接口。汽车音响系统 MCU只需发送简单 UART命令,即可实现各种音频处理算法的调节,各种调节参数的命令由图形化开发工具在拖拉调节音频参数时实时生成。

 

GS1068音频 DSP处理模块 

                SIZE:48mmX52mm                                                                                      

INPUT

I1A+ GND  I1B+ GND I2A+ GND  I3A+ GND  I4A+GND I5A+GND  I6A+ GND II2B+ GND I3B+ GND I4B+ GND

OUTPUT

GND O8+ GND  O7+ GND O6+  GND  O5+ GND  O4+ GND O3+ GND  O2+ GND O1+ GND Rx GND  GND


4.1汽车音响系统共接入了 6组立体声的模拟音频,包括蓝牙, GPS,收音,3G,车载电视,一路 AUX;同时 DVD通过 SPDIF将音频信号传输给 DSP模块进行处理。4x40W喇叭输出以及低音线路输出。其中 GPS需要与另外 6组立体声音源中任何一组进行混音,而不中断当前的节目声音。FL/FR为小喇叭,切频点在 100HZ,RL,RR是大喇叭,频响范围为 20HZ到 20KHZ。采用传统的 4X40W模拟功放。根据系统的特点,基于 GS1068利用 G-SOUND的 DSP开发工具设计了一套数字音频处理方案。框图如下:


由框图中可以看出,该方案采用的音频处理算法有:噪声门,图形 EQ,低音管理,路由器,高低音滤波器,高低音调节,参数 EQ,延时器,音量,压限器,增益调节等。下面分别说明各种算法在系统中的作用及如何调节。


噪声门:顾名思义是抑制噪声的开关。噪声门抑制噪声的程度主要是由门限电平和噪声门深度两个参数来决定的,当输入信号加噪声低于门限电平时,信号幅度被大大地衰减(衰减程度即是噪声门深度),当输入信号加噪声高于门限电平时,信号以 1:1的幅度通过,通常门限电平设置在信号动态的下限与噪声电平相近的电平上,这样在音乐开始,停顿,换曲时,听众不能感觉到噪声的存在,从而在听感上就会觉得该音响系统的音乐纯净,信噪比高。噪声门的另外一个重要的参数就是噪声门的保持时间,是指当噪声门监测到信号低于噪声门限值时,噪声门打开的时间。以下为噪声门三个参数的调节界面,用鼠标直接拖放即可实时调节 DSP模块噪声门的设定,并可以在 CMD栏中显示发送给 DSP模块的命令值,在 FEEDBACK中显示返回来的 DSP模块调整之后的当前值。 

 

XOVER高切及低切:人耳可听的音频频率范围是 20HZ到 20KHZ,但是喇叭的低频响应要达到 45Hz以下就已经很难了。如果将 45HZ以下的超低频的信号也是按同样的幅度不经衰减的送到喇叭,往往会引起失真,俗称打底,甚至会对喇叭造成伤害。因此,一般的来说,将音频电信号送至喇叭之前会用高通滤波器将喇叭不能表现的低频部分滤掉,滤波器的中心频率根据各个喇叭的特性不同来做相应的设置。在我们这个系统中,我们的四个卫星喇叭频率响应是 60Hz以上,所以将喇叭的低切频率点设在 60HZ。利用 GUI工具设置低切频率点非常的方便,如下图所示,点击 XOVER打开高通低通滤波器切频点设置对话框,勾去 BYPASS选择框,然后拖动 L,R HPF就可以实时设置高通滤波器的频率点,并在 CMD框中显示 PC发送到 DSP模块的设置命令,在 Feedback框中显示返回命令。用同样的方法可以设置低音通道的低通滤波器的中心频率。

 

31段图形均衡 GEQ:将 20HZ到 20KHZ的音频划分成 31段,固定 Q值及中心频率,调节对应的频段上的 GAIN值,这样可以方便的调节各种需要的音效,如需语音突出功能,则提升 200HZ到 500HZ频段,能让听众感觉到声音清晰就在耳边的感觉。如想提升低音效果,则可以提升 80Hz到 200HZ的频段。同样,所有的调节命令显示在 CMD框,而 Feedback框会显示 DSP模块的返回命令。如下图所示:

其他的如高音 TREBLE调节,低音 BASS调节,11段参数均衡 PEQ:,延时器,音量压限器的调节等都可以利用该图形化工具做相应的调整(详情请参考 www.greensound.net.cn)。在实际的汽车音响系统应用开发时,MCU只需调用这些调节的命令表,即可完成 DSP软件的开发和声音的设定。当然 ,声音的调试效果则需要专业的听音工程师进行把关。

一键智能声场测试及优化:

 

在后装汽车音响市场,因为每款车的大小,喇叭状态各不相同,4S店或者汽车音响改装店需要针对于不同的车型进行音响后装调试,往往费时而且效果并不是很理想,有可能客户花了高价钱买了好的车载音响系统,而由于后装调试不够专业而影响到了音响系统性能的整体发挥。格律声经过多年的研究,开发了一套自动测试喇叭及空间特性的算法,并能根据测试结果自动补偿喇叭及空间特性。其原理是,由 DSP内部产生一些特定的噪音序列,通过麦克风拾取从喇叭发出的声频响反馈回 DSP,DSP根据得到的声频响特性来计算喇叭的补偿曲线、优化设定喇叭的音量及延时等,从而使听音效果达到非常好的状态。整个过程只需要用户或后装音响调试时将配送的麦克风接上,将麦克风放置在目标听音位置,然后按下自动设定的按钮,经过几分钟的测试及计算后,便可自动完成优化设定。在这个过程中如果发现有喇叭没有接好或者极性接反了的话,会提示客户进行检查。如果用户需要得到自己定制的特别的曲线,也可以在优化之前调整 31段图形 EQ完成目标曲线的设定,然后再执行自动优化的过程即可。

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