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吉他效果算法研究和效果器设计 pdf.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.45M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    封面
    摘要
    英文摘要
    第一章绪论
    1.1效果器的介绍与现状,音频算法的研究的现状
    1.1.1效果器的介绍与现状
    1.1.2音频算法的研究的现状
    1.2本效果器的设计要求的提出
    1.3本文所涉及的内容以及所做的工作
    第二章吉他效果器的硬件平台
    2.1吉他效果器的硬件平台设计
    2.1.1硬件平台整体介绍
    2.1.2硬件框图
    2.1.3外设介绍
    2.1.4工作原理
    2.2 BF531DSP硬件平台设计实现(主要用做效果处理，音频处理)
    2.2.1 bf531简介
    2.2.2 codec的连接和配置
    2.2.3 sdram连接和配置
    2.2.4 sport口配置
    2.2.5 pll配置
    2.3 MB89475MCU硬件平台设计实现(主要用做功能操作控制)
    2.3.1 MB89475简介
    2.3.2部分功能的算法流程
    2.4接口数据通讯协议
    2.4.1通讯方式
    2.4.2通讯的数据格式(协议)
    第三章吉他音频效果处理算法理论研究和计算机上的仿真实现
    3.1音频效果的概述
    3.2效果算法分类研究
    3.2.1压缩(compressor)和限幅(limiter)
    3.2.2扩展(expander)和噪音门(noise gate)
    3.2.3颤音(Tremolo)
    3.2.4镶边(flange)效果
    3.2.5移调(PitchShifter)和失谐(detune)
    3.2.6合唱(chorus)效果
    3.2.7回声(echo)和延迟(Delay)
    3.2.8振音(vibrato)
    3.2.9混响(reverb)
    3.2.10哇音(Wah)和自动哇音(Auto wah)
    3.2.11四波段参数均衡(band EQ)
    3.2.12十波段参数均衡(ten band graphic eq)
    3.2.13失真(Distortion)
    3.2.14基频提取
    第四章效果算法在硬件平台上的实现
    4.1硬件移植和数据结构
    4.2调试的过程和经验
    4.2.1噪音处理
    4.2.2快速浮点运算算法
    4.2.3 codec和DSP通讯调试总结
    4.3一些性能指标
    4.3.1一个采样周期内的Cycle指标
    4.3.2 FFT的基频检测的精度
    4.3.3快速浮点运算的效果
    第五章结论
    附录
    6.1 SHELVING滤波器的C语言实现
    6.2 GRAPHIC EQ的参数的实现
    6.3 OVERDRIVE模型
    6.4失真的其他模型
    参考文献
    致射
    论文独创性声明及使用授权声明
    Y·770213旦失学。学校代码：10246学号：033053145硕士学位论文i裁亚学_：6巧吉他效果算法研究和效果器设计院系(所)：专业：姓名：指导教师：完成日期：软件学院软件工程忻蔚然张睿2005年3月4日
    吉他效果算法研究和效果器设计摘要摘要本文采用数字信号处理器，用软件实现数字音频的效果算法。主要是研究如何将现有理论级的音频效果算法通过优化，做到在硬件平台上易于实现，并提高效果的质量。并且针对国内吉他数字效果器存在的空白，利用ADSP—BF531DSP来开发出一款高性能，低成本的吉他数字效果器。本文主要是介绍了吉他音频效果的算法的研究；效果器的硬件设计以及如何利用ADSP—BF53lDSP在硬件DSP平台上实现所有算法功能并做出样机。关键词吉他效果器，音色，ADSP—BF531，效果，数字音频处理第3页共98页
    吉他效果算法研究和效果器设计ABSTRACTThispaperdealswiththerealizationofdigitalaudioeffectalgorithmbysoftwareonDSPhardwareplatform．ItmainlYdiscussedhowtorealizethecurrenttheoreticdigitalaudioalgorithmOnhardwareplatformthroughoptimizationandhowtoupgradetheeffectquality．ItalSOdealSwiththedevelopmentofa10wcosthighqualityguitareffectprocessorbyUSingADSP—BF531DSPfacingtheblankofthedomesticmarket．ThiSarticlemainlyintroducedthesearchofthedigitalaudioeffect：thehardwaresystemoftheguitarprocessorandintroducedhowtorealizea11thealgorithmsontheADSP—BF531DSPplatformandmakeonemodelset．KEYWoRDSGUITAREFFECTPROCESSOR，ToNE，ADSP—BF53l，EFFECT，DIGlTALAUDl0PROCESS第4页茫98页
    吉他效果算法研究和效果器设计第一章绪论第一章绪论1。1效果器的介绍与现状，音频算法的研究的现状1．1．1效果器的介绍与现状在当今的摇滚乐坛，电吉他已是人们熟知而又喜爱的乐器。它那迷人的音色和光辉灿烂的华彩独奏SOLO表演、令听众如痴如狂。由于它的出色表现能力、因而成为摇滚乐队中主要乐器，也令众多梦想当一名摇滚电吉他手的青年人所向往。那么为什么电吉他在摇滚乐中有如此出色的表现能力呢?除了电吉他手的音乐修养与成熟的演奏技巧外，还有一个极其重要的因素：就是使用了当今先进的电声技术产物——效果器。电吉他可以通过效果器改变它原来的音色。增加诸如颤音、哇音、回族音、混响、回声、打击声、沙哑声、哨叫声……等特殊效果。电吉他通过效果器的?j丑入，使音色变幻无穷，从而极大限度的扩展了它的表现能力。效果器主要是通过对输入的模拟吉他音频信号，进行幅度线性和非线性变化；时问域上的变化以及频段上的各种处理最终输出，来达到各种奇丽无比的美妙的音色的目的。通过效果器的使用，从而使得电吉他在具有弦乐器的传统技法与演奏方式的灵活性、多样化的优势上，又获得了电声乐器的音色变化多的特点。可以说，吉他效果器的使用大大的扩展了吉他的灵活性和音色，可以说是效果器赋予了电吉他全新的生命。数字综合效果器，凭借着它的数字处理的灵活性和效果的多样性，已经越来越多的出现在效果器的市场上。数字效果器采用的是数字音频处理方法，通过模数转换，将模拟音频信号转换成数字信号后采用效果处理模型进行数字的信号处理后，再通过数模转换还原成数字信号1．1．2音频算法的研究的现状目前有有关效果音频算法上的研究不是很多，而且这些算法大都是在电脑上实现的。其对于资源的使用以及CPU的运算要求相当的高，在硬件上实现起来缺少可行性。同时，整个算法主要是理论级的，没有优化，不少运算特别烦琐和累赘，并没有考虑到一些实际应用上的问题；另一方面现有的数字效果器则完全是国外的产品占据了整个效果器市场。国内有关这方面的研究和设计可以说是比较缺少或者说是空白。
    吉他效果算法研究和效果器设计第一章绪论1．2本效果器的设计要求的提出我们国家在吉他数字音频效果处理方面落后的现状，迫切需要我们在这方面进行深入研究，尽快的填补这方面的空白。因此，对于本设计研究的意义在于：通过研究能够填补我国在吉他合成效果器研发方面的空白，从而能够打破国外产品在这方面的垄断局面；所研究出的音频算法通过～定的优化，简化运算单元和存储单元，做到有相当的可行性；在DSP硬件平台上完成所有算法的实现，完成硬件的所有功能，最后做出样机实例。同时此课题最终可以转化成产品投入市场。通过本文所做的研究，最终的目的在于能够达到将理论研究的数字音频处理转化成实际产品的这一工程上的要求。1．3本文所涉及的内容以及所做的工作本论文主要做的工作是设计并构建了吉他数字音频效果器的硬件平台，提出了各种音频效果实现的算法并进行仿真，以及在ADSP—BF531上硬件实现各种算法并最终做出样机。本文主要是介绍了有关效果器的硬件平台，效果算法的…些研究以及一些硬件实现方面的内容。通过本文所设计的效果器的一些效果处理，吉他的声音可以转变成美仑美焕的各类其他效果声音，从而使吉他手真正能够演奏出各种美妙的音乐。本文在第二章中主要是讲了效果器的硬件设计和硬件平台；第三章主要是有关各类音频效果算法的分类介绍，理论研究，MATLAB仿真；第四章主要是介绍其最后在硬件平台上的实现以及硬件实现过程中的一些经验；并对效果器的一些性能进行评估，通过仿真模型和实测结果，对实验数据、图表进行分析，评估其性能。第五章是对全文的总结，主要说明本文工作的成果和意义，还阐述了工作中出现的问题和不足之处，以及以后所要做的改进等。第六章为附录。第6页共98页
    吉他效果算法研究和效果器设计第二章吉他效果器的硬件平台第二章吉他效果器的硬件平台2．1吉他效果器的硬件平台设计2．1．1硬件平台整体介绍本效果器使用ADSP—BF531DSP作为DSP运算单元，主要完成音频数据的采集、输出以及效果处理。另外使用一块富士通公司的单片机MB89475做为单片机控制芯片，主要用做功能的操作控制以及显示。双方通过UART串口进行通讯和数据交换。选用单片彬L+DSP的方案是从几方面进行考虑的：第一，将一些扫描按键，显示等功能做到单片机里，可以提高DSP的效率，增强它的效果处理能力。第二：，该单片机带有AD转换功能，可完成电位器参数的控制；第三DSP的IO口较少，不能满足多按键控制以及LcD，LED数码管显示等要求；第四，该单片机程序存放单元为OTP形式，通过它可实现程序的保密功能，防止firmware被盗版。第7页共98页
    吉他效果算法研究和效果器设计第一章吉他败果嚣的硬件平台2．1．2硬件框图下面如图2．1是效果器的硬件框图f<>SDRAMl，，1L』＼8M卜，∥SPORT口土乙一一LLDSPBF531，，，7壁坠、CODECFlash1M一八N∥WM8778∥放程序和数据厂]7＼气产UART：通_弋夕讯／／L人数码管和LEDFUNCKEY&∥卜MCU＼∥开关踏板＼∥MB894758路AI)冈河呦l一么。≤一旋钮+。∽。，寻乡①④o④④旧>|踏板8，2．1．3外设介绍图2．1效果器的硬件框罔本效果器中，同BF531所连接的主要外设有如下一眦：MB89475单片机，主要负责AD采样，键盘扫描，显示等工作。FLASHmx291v800tmc：用做放脱机程序，供DSPhootload用。SDRAM：用做效果处理存放数据的内存使用。第8页共9&页
    吉他效果算法研究和效果器设计第二章吉他效果器的硬件甲台SPIEEPROM：用做存放掉电参数。CODEC：用来进行音频信号的AD／DA转换。2．1．4工作原理本效果器的工作原理主要为如下：首先音频信号从吉他输入，经过运放的放大后模拟信号进入CODEC。通过CODEC后输出数字信号，按照41000Hz的速率通过BF531的SPORT口输入DSP。然后DSP对输入的数字信号进行各种效果算法处理。(这些操作都要保证在一’个采样周期内完成，以保证样本不被遗漏)最后经过处理后的数据叠加上节奏和节拍器的数据后通过SPORTOUT口输出回CODEC。然后再由CODEC将其转回模拟信号输出至耳机功放。最后将信号输出至喇叭或者功放。对于算法效果的参数调整等都由MB89475单片机所接的按键和AD旋钮所控制。LCD则显示效果器的各种状态，LED显示当前的音色号。单片机和BF531之间通过UART口进行数据通讯。详细的通讯协议下文将具体给出。由于在效果算法中如混响，延时等都需要大量的内存进行数据记录，而BF531自带SDRAM控制器，因此选用比一般RAM要便宜多的SDRAM进行数据存放。而对于一些需要关机断电后仍然保存的数据，由于SDRAM掉电信息丢失的缘故，故选用一块EEPROM。它与I=jF531的连接通过BF531所带的SPI口。最后脱机程序以及数据烧入FLASH中，将BF531的BOOT模式设置成BOOTFROMFLASH。当开机上电后，BF531中的内核BOOTLOAD程序自动将所有的程序从FLASH中调入指令RAM中，完成后程序在指令RAM中运行。因为程序容量较大，指令RAM(64K)不能完全放下，因此部分程序放在SDRAM中。因为这样运行速度会比较慢，会影响算法的效率，所以主耍是将一些开机初始化程序以及平时很少用到的程序放在SDl诅M中。2．2BF531DSP硬件平台设计实现(主要用做效果处理，音频处理)2．2．1bf531简介根据效果算法对于运算能力的要求，同时tB较了TI和ADI的DSP的性价比，最后选定ADI新出来的BlackfinADSP—BF531芯片作为主芯片。ADSP—BF531是美国模拟器件公司去年新开发的新一代BJackfin处理器中的一种。其最高性能达到了400MHz的时钟频率，而功耗却很小。新发布的Blackfin第9页共98页
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