通过SigmaDSP预编程的完全可配置数字音频处理器简化音频设置

虽然目前音频源主要由数字媒体（CD，DVD，Internet）组成，但大多数音频处理仍停留在模拟域中。现在是时候将音频处理迁移到数字了。

在过去的二十年中，音频技术经历了许多进步。从 20 年前推出 CD 开始，发展到 MiniDisk 和 DAT，今天我们可以选择高分辨率音频格式，例如 DVD 音频、SACD 以及 MP3 令人难以置信的灵活性和存储密度。所有这些进步都集中在音乐的存储介质上。但是，音频信号从存储介质中取出后如何处理呢？它如何到达系统的输出？当前的“数字”系统是真正的数字化吗？今天的绝大多数系统都不是。

在音频/视频（A/V）接收器中，由于杜比数字解码的性质，数字信号处理变得流行，但几乎所有流行的音频系统，如微型组件，汽车立体声和PC扬声器，仍在使用模拟信号处理技术。

其原因是，早期的数字解决方案基于通用数字信号处理器（DSP），具有独立的D/A和A/D转换IC，在硬件和编程方面具有巨大的开销。因此，数字解决方案的实施一直很困难，而且成本高得令人望而却步。

现在，在主要消费类系统完成向全数字媒体的交叉之际，ADI公司推出了AD1954，这是新型高性价比产品的首款成员。西格玛数字操作系统™系列—第一个直接解决将音频专用 DSP 与高性能音频转换器集成在单个 IC 上的基本问题的解决方案。

该系列数字声音处理器件以AD1954为首，提供：

集成转换器（112 dB SNR）的专业品质数字声音处理

零麻烦的编程，以及高度用户友好的图形配置工具

非常低的价格，这使得大多数系统能够提供数字技术的卓越音质。

AD1954里面有什么？

AD1954是一款预编程、完全可配置的数字音频处理器。内部结构如图1所示。它针对 2.0（左/右）和 2.1（左/右 + 低音炮）配置进行了优化，并包含以下处理模块：

3 合 1 数字信号源选择器

立体声 7 频段均衡器（48 位双精度滤波器）

专业品质动态处理器（双频结构）

帕特™立体空间增强

扬声器位置调整延迟

用于独立低音炮处理的分频器

音量控制

三个数模转换器 （112dB SNR），用于左低音炮、右低音炮和低音炮输出。

所有参数均可由系统设计人员完全配置。这样可以缩短设计周期，同时可以完全灵活地根据每个市场和客户的特定要求调整系统。

图1.SigmaDSP架构。

SigmaDSP中使用哪种DSP内核？

这些产品中使用的 DSP 内核是全新的，它针对音频处理的要求进行了优化（图 2）。大幅减少执行给定音频算法所需的周期数的功能包括用于双精度和动态处理的硬件加速器。DSP 内核基于 26 × 22 乘法累加引擎和双 48 位累加器。输入字长为24位，但内核内部分辨率为26位（3.23格式），可提供两个额外的位，增益高达+12 dB。由于+12 dB增益在许多音频算法中很常见，因此在大多数应用中不需要缩放。

所有滤波器均利用特殊的硬件加速器以 48 位双精度分辨率计算。双精度确保低频IIR滤波器可以工作，而不会产生导致可听见的伪影的限制周期问题。

核心存储器包括 2.5 KB 的程序 RAM、2.5 KB 的程序 ROM 和 1 KB 的参数 RAM。所有存储器均可通过SPI接口直接访问，该接口使用自寻址32位格式（8位地址，24位数据），允许单周期访问任何存储器位置。AD1954的内部时钟速率为25 MHz，由于硬件加速，相当于通用DSP的约50 MIPS。

图2.SigmaDSP处理内核。

SigmaDSP图形用户界面（GUI）为设计人员提供了实时的全面设置控制。

SigmaDSP技术既面向经验丰富的数字设计师，也适用于熟悉其音频系统但又不想深入了解低级DSP编程复杂性的模拟设计师。要实现这两个目标，需要一种可以直观操作的工具，但可以实时控制整个信号流。

解决方案是AD1954图形用户界面（GUI），如图3所示。它以图形方式表示AD1954的信号流，因此其使用非常直观。信号链中的每个参数，包括滤波器系数、体积设置和动态处理功能，都可以直接实时访问和更改。GUI通过PC的打印机端口连接到AD1954评估板。通过这种方式，任何参数更改都会以SPI格式发送到AD1954，并立即生效（实时）。

虽然SigmaDSP GUI旨在作为系统设计人员的专用工具，但它也可以（以修改版本）提供给热情的最终用户。通过此PC界面，用户可以通过笔记本电脑进行完全控制。

图3.SigmaDSP 图形用户界面。

为什么专业品质的动态处理如此重要？

中小型系统，尤其是汽车音响系统，通常受到放大器和扬声器功率的限制。有几个潜在的限制因素：在汽车系统中，障碍只是 12V 电源，它将最大输出功率限制在 20 欧姆的最大输出功率约为 4 W rms，或 40 欧姆的最大输出功率限制在 2 W rms。在微型元件中，变压器尺寸存在空间限制，并且存在热限制。另一个因素是扬声器均衡：在中小型系统中，我们通常看到包含小型扬声器的小型机柜。一种流行的解决方案是使用相对重的均衡，特别是在低音部分（低音增强），要求在低频下增加功率，以补偿这种声学上不完美的设置。最后（由年轻一代推动），有一个共同的愿望 - 如果不是需求 - 这些系统具有高最大容量。

有限的放大器功率、重低音均衡和系统显著的总响度的组合很容易导致放大器饱和并开始引入严重失真，从而导致不满意和烦人的聆听体验。过去，解决此问题的尝试通常使用原始削波信号检测器，这避免了削波，但导致伪像几乎与削波失真本身一样糟糕。AD1954 SigmaDSP具有专业品质的双频动态处理器，可以无伪影控制系统限制。

提高系统的清晰度和响度

图4和图5显示了没有任何动态处理且具有软膝盖压缩器/限幅器功能的传递函数示例。通过使用图5所示的功能，AD1954的专业品质动态处理可以自然地处理削波电平，从而在高音量下降低失真。这有效地允许用户将系统音量调高约 10 dB。音量增加 10 dB 表示体验到的声压级翻倍，因此用户可以运行他的系统两倍的音量。

这在放大器和扬声器功率有限的小型系统中尤其重要。

图4.如果没有动态处理，如果允许音频信号线性增加到剪辑级别以上，音频信号将变得越来越失真。

图5.通过动态处理，可以动态调整增益以产生精确的压缩，因此峰值幅度不会超出放大器/扬声器系统的限制。

实际调整

SigmaDSP动态处理器的可任意可调传递函数允许许多其他应用，并且完全的灵活性允许用户将多个应用程序组合到同一设备中。

道路噪声补偿

SigmaDSP动态处理的一个强大应用是汽车系统。除了复杂的均衡策略和失真处理外，还可以补偿汽车内部的嘈杂环境。虽然噪声本身无法降低（尽管正在进行主动降噪研究项目），但改善聆听体验的唯一实用方法是使柔和信号更响亮。这对于古典音乐尤其重要，因为大动态范围和许多安静的音乐段落很常见。

通过在AD1954中编程适当的传递函数，可以压缩低于特定阈值的信号，并且可以放大音乐电平以保持高于道路噪声的水平。该技术的最终用途可以在OEM汽车系统中实现，其中来自车速表的信号和RPM控制信号可以根据速度（风噪声）和发动机RPM（电机噪声）改变补偿比。任何在汽车音响系统中体验过智能道路噪声补偿策略的人都不想再没有它（也许除了 20 年中期千-世纪劳斯莱斯司机。

午夜模式

SigmaDSP动态处理技术特殊用途的最后一个例子是补偿电影音轨中响度的突然变化。似乎在家里，配乐的响度——尤其是在动作片中——永远不会正确（你的遥控手指最清楚这一点）。一个原因是电影院的配乐通常是混合的。在电影院中，声学体验是整个电影体验的基本要素，而大的动态变化是导演用来产生兴奋的工具。在电影院里，没有人会被打扰。在家里，这一切都不同。虽然我们仍然希望电影体验尽可能好，但我们必须避免吵醒孩子或附近的邻居。

“午夜”模式可以通过减小音轨的动态范围来自动处理这个烦人的问题。为了实现此功能，使用了与用于动态剪辑控制的传递函数类似的传递函数，但阈值要低得多。为避免声音伪影，需要像AD1954中实现的专业型双频动态处理器。

两对音轨（图 6）用于声音，然后是动作场景（炸弹爆炸）。可以看到，虽然当午夜模式打开时，动作场景的动态范围会减小，但声音会保持在同一水平。

图6.在午夜模式下，高电平被抑制而不会影响正常水平。

总结

随着SigmaDSP技术的引入，听音乐和电影的体验进入了一个新时代。处理性能、转换器技术和复杂的算法，以前只有专业录音室的所有者知道，现在正可用于成本敏感的消费类系统。通过使用SigmaDSP技术，人们可以开发在最终输出之前保持数字的立体声系统，以充分利用当今数字媒体的卓越品质。

审核编辑：郭婷