1、 毕业 设计（ 论文 ） 吉他效果器的研究与设计 学 院： 信息科学与技术学院 专 业： 姓 名： 指导老师： 自动化 关康信 学 号： 职 称： 0601431015 苏禹 讲师 中国珠海 二 一 年 五 月 北京理工大学珠海学院毕业论文 诚信承诺书 本人郑重承诺： 我所呈交的毕业论文吉他效果器的研 究与设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，论文使用的数据真实可靠。 承诺 人签名： 日期： 年 月 日 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 I 吉他效果器的研究与设计 摘 要 随着科技的不断进步，效果器引入了微处理
2、器技术和数字音频处理技术，与传统效果器相比，新型效果器以其智能化、个性化、高保真等优点迅速应用到各种声音设备中，深受广大音乐爱好者的青睐。 本文介绍了基于 TI TMS320VC5501 DSP 的吉他效果器的设计。文章主要从硬件和软件两个方面进行分析、设计与实现。在硬件方面 ,主要对 DSP、 CODEC、单片机等芯片的连接电路、模拟信号的处理电路以及人机交互电路进行了详细的分析；在软件方面，主要对各种芯片的初始化和系统的工作流程进行了分析与设计，与此同时，本设计还详细介绍了颤音、延迟、震音、合唱、镶边、移相等几种常用的效果算法。经实验证明，本效果器实现的数字效果良好。 关键词： 吉他效果器
3、 DSP CODEC 单片 机 算法 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 II The Design And Research of Guitar Effect Processor ABSTRACT With the development of technology, the Microprocessor Unit (MPU) and digital audio processing technology are introduced into the effector. Compared with the traditional effector, the new type
4、of effector is quickly applied to various sound equipments with its intelligence, individuation, and hi-fi advantages, and it also take the fancy of the music lovers. This thesis introduces a design of guitar effect processor which is based on TI TMS320VC5501 DSP. Hardware and software systems are s
5、eparately introduced in this paper. For the hardware, the thesis mainly makes a detailed discussion of some hardware function models ,which including the interface circuits of DSP 、 CODEC、 MCU and etc, analog signal processing circuits， and human-machine interaction circuits. For the software, the t
6、hesis introduces the initialization of all kinds of chips and the workflow of system. At the same time, this design also introduces the several common effect algorithm in detail , such as vibrato、 delay 、 tremolo、 chorus、 flanger 、 phase. The experiment proves that the digital effects of the effecto
7、r based on the above system are well. Key words: Guitar Effect Processor DSP CODEC MCU Algorithm 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 III 目 录 摘 要 . I ABSTRACT .II 1 绪论 . 1 1.1 论文研究背景 . 1 1.2 国内外研究现状 . 1 1.3 论文主要内容 . 2 2 系统总设计 . 3 2.1 系统要求 . 3 2.2 系统方案的确定 . 3 2.3 芯片选型 . 4 2.3.1 DSP 选型 . 4 2.3.2 单片机选型 . 5 2.3.3 C
8、ODEC 选型 . 5 2.3.4 SDRAM 选型 . 5 3 硬件设计 . 6 3.1 DSP 与单片机的连接 . 6 3.2 DSP 与 CODEC 的连接 . 7 3.3 DSP 与 SDRAM 的连接 . 10 3.4 电源模块 . 10 3.5 模拟 信号处理电路 . 11 3.5.1 信号放大问题 . 12 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 IV 3.5.2 阻抗匹配问题 . 13 3.6 信号选通模块 . 14 3.7 人机交互电路 . 15 4 系统软件设计 . 17 4.1 系统总工作流程 . 17 4.2 系统的初始化 . 18 4.2.1 单片机的初始化
9、 . 18 4.2.2 DSP 的初始化 . 19 4.2.4 SDRAM 的初始化 . 22 4.2.5 CODEC 的初始化 . 23 5 音频算法的分析与设计 . 25 5.1 Delay (延迟 ) . 25 5.2 Tremolo(震音 ) . 26 5.3 Vibrato (颤音 ). 27 5.4 Chorus (合唱 ). 28 5.5 Flanger(镶边 ) . 29 5.6 Phase (移相 ) . 30 6 系统调试 . 32 7 总结 . 33 参考文献 . 34 附录 A 电路原理图 . 36 附录 B 电路 PCB 图 . 37 北京理工大学珠海学院 2010
10、届本科生毕业论文 V 附录 C 单片机程序 . 38 附录 D DSP 程序 . 45 附录 E Tremolo 算法程序 . 51 附录 F Delay 算法程序 . 52 附录 H Vibrato 算法程序 . 54 附录 I Chorus 算法程序 . 55 附录 J Flanger 算法程序 . 57 附录 K Phase 算法程序 . 59 谢 辞 . 61 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 1 1 绪论 1.1 论文研究背景 吉他效果器的出现赋以了吉他新的生命， 谱写了吉他表演的新篇章。通过吉他效果器，我们可以演奏出不同风格 、不同音色 的乐声，演奏者可以根据自己的
11、喜爱以及音乐 的需要调节出一个独特的音色，从而使吉他成为某些特定音乐元素中不可替代的乐器 。 早期的 吉他 效果器 是单独依靠模拟电路来工作的 ， 而且 一个模拟电路只能实现一种音频效果，如用弹簧实现混响效果、用 BBD 延迟器件实现延时 效果 5、用真空 电子 管实现失真效果等。如果要调节出一个自己喜欢的音色，往往就需要串联多个模拟电路效果器才能完成，串联后体积庞大不易携带，而且市面上各种模拟电路效果器的价格昂贵，要集齐一套常用效果的效果器往往就要花费好几千甚至上万块 钱，由于上述两方面的原因 ，模拟电路效果器很难大众化。随着微处理器技术的发展 和数字音频处理理论的日益完善 ，数字化、人性化
12、 和 智能化等 理念开始引用到吉他效果器上，于是 吉他数字 效果器开始应运而生。 吉他数字效果器不仅能把模拟电路效果器的各种独特的效果结合成一个整体，而且 还能把 许多原本只有通过建筑声学才能实现的声学效果 4， 现在都可以 通过电声学知识和数字信号处理手段来 实现，虽然他们的本质特征并不一样，但是由于人耳对声音有一定的分辨惰性，使得各种数字 模仿 音在一定的范围内是可以等价于相 应 的物理振动 产生的声音。 使用吉他数字效果器时，用户可以通过数字化人机界面去设置串联效果的种类、 数量以及 各效果的主要参数 ，操作 方便 容易，而且用户 可以 根据 实际 需要快速切换不同的 效果模式 ，这也是
13、模拟电路效果器所难做到的。在性价比上看，我们通常只需花一两个模拟电路效果器的钱就能购买到一款性能优越效果齐全的吉他数字效果器，性价比高， 因此 深受广大音乐爱好者的喜爱。 1.2 国内外研究现状 目前，我国自主研发和生产吉他效果器的厂商寥寥无几，国产的效果器又多为模拟 电路 效果器，起步比国外晚，技术还不够成熟，而且从事相关工作的人 很 少，人才缺乏，待开发空间很大；在国外，无论是硬件还是软件，都有很成熟的技术和理论，而且国外有很多大学开设 了与音频处理相关的 专业，不断地为这个领域输送人才。由于技术上的原因，国内吉他效果器 的 市场大多被国外 的 产品所垄断 。 随着微处理器技术的迅速发展
14、， 吉他数字效果器的性能也在不断 地 提升， 引入了越来越多的 新功能，如支持 MIDI 接口、支持在线升级、增加鼓机功能 、增加数字化人机界面等等，越来越人性化， 越来越大众化 。吉他数字效果器虽然克服了模拟电路效果器的很多北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 2 毛病，但在目前情况下， 吉他数字效果器的可靠性和某些效果的音质还是与模拟电路效果器存在一定的差距 ，国内外一些追求完美音质的音乐发烧友还是 坚持着使用模拟电路效果器，这两种 效果器的 性能对比见表 1-16。目前，国外比较有名的乐器公司，如： BOSS公司、 DIGITECH 公司 、 YAMAHA 公司、 ZOOM
15、公司都致力研发 吉他数字 效果器，其中最具代表性的有 国外 的 BOSS 公司 、 DIGITECH 公司等，国内 的 有 MEDELI 公司 20。 吉他数字 效果器从试产到今天，无论是技术上还是市场上，都取到了骄人的成绩，现在不断有公司加入这个数字效果器大家庭，如何让我们设计的吉他 数字 效果器 打破国外产品的垄断局面，如何提高数字效果器的可靠性和音质呢， 这就是我们要努力解决的问题。 表 1-1 吉他数字效果 器 与 吉他模拟电路效果器 的比较 表 采用的解决方案 吉他数字效果器 吉他模拟电路效果器 功能 多样化 单一 体积 较小 较大 系统集成度 高 低 灵活性 灵活方便 较差 是否可
16、变编程 是 否 可靠性 较低 较 高 1.3 论文主要内容 本次设计是研究与设计以 TI TMS320VC5501 DSP 为核心的 吉他数字 效果器，并在此效果器上实现震音、延迟、颤音、合唱、镶边、移相等数字效果。本文先从系统的 总要求入手，通过分析系统的总要求来决定本系统需要什么类型的芯片、是否需要扩展、 硬件之间如何工作 等 ， 并对系统 的工作方式进行设计和对比 ，随后把系统分成硬件和软件两方面进行分析与研究，在硬件上，主要对 各种芯片的连接电路及其作用进行详细的分析，并对模拟信号的处理电路 、系统的 供电电路 和人机操作界面进行了研究型的设计；在软件上，主要分析了 系统的工作流程 、
17、各种芯片的初始化及效果算法 。 效果算法虽然是属于软件部分，但由于效果算法在本设计中非常重要，本文将效果算法和系统软件设计分开分析， 第六章节就是详细分析各种效果算法原理及实现 。在文章最后， 我们 分析了系统的调试步骤和方法，并对全文总结。 北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文 3 2 系统总设计 系统方案设 计不仅要综合考虑硬件、软件和算法之间的兼容关系，而且还要考虑系统的稳定 性 、可靠性、实用性 等技术要素。 2.1 系统要求 采样率的 大小直接决定音质的好坏， 我们平常所听到的 CD 音乐其采样率一般都为44.1kHz或者更高。在本设计中，为了得到高质量的声音，本 设计
18、的采样率设为 48kHz，这就要求系统的 数字 信号处理模块每秒钟至少能处理 48000 个音频数据，同时还 需 要有很高实时性，在一般的 乐器信号 处理设备中，人们要求输入的数据与输出的数据的时间间隔不能超过 30ms,否则人耳能明显分辨出声音的延迟。综上所述， 我们在选 择芯片时候必须要考虑该芯片 是否支持 48kHz 的 采样率，其处理速度是否能满足本设计的要求， 其算法数据存储空间是否足够。 在 模拟信号 处理电路中， 我们需要最小损失地对模拟信号进行处理，同时，本设计还需要设置 原声直接输出通道和 数字 音通道，可以通过人机交换界面去选择这两个通道，以方便声音对比。根据效果算法的实际
19、需要，本设计需提供电位器、按钮和 LED 等人机交换界面。 此外，稳定、 高效 的供电、合理的去耦与耦合处理和低噪声的模拟信号处理都是本设计能否取得成功的关键。 2.2 系统方案的确定 本设计是研究与设计以 TI TMS320VC5501 DSP 为核心的 吉他数字 效果器 ， 本系统的处理器可 有两种工作模式 选择 ：一种是单核模式， 即 在整个系统中只有 DSP 一块处理芯片；另一种工作模式是双核模式，即在整个系统中 含 有 DSP 和单片机 两块处理芯片 。 在单核模式中， DSP 需要分出一部分资源去处理人机交互换界面的数据，由于 C5501这款 DSP 没有 AD 转换功能，我们还需
20、要增加一块 ADC 芯片。对于某些比较耗资源的效果算法如延迟、合唱、镶边等，单核模式 往往就会显得捉襟见肘 ，而且单核模式不易开发，发 生故障 时比较难排除 ； 在 双核 模式中，我们可以选择一 款带 ADC 功能的单片机，并让单片机专门负责处理人机交换界面的信息， 在该模式下， DSP 能用最大的资源去处理效果算法，提高 了 系统的实时性，其次双核模式分工分明，我们可以对 DSP 和 单片机分开开发和 调试，发现问题时很容易找出现问题的关键 ，再次在市场上，一块带 ADC 功能的单片机和一块性能相近 ADC 芯片价格相差不大，采用双核系统不仅能实现资源利用的最大化，而且容易开发使用，同时也能很好地控制成本，这是一个 一举多得的方案 。 因此本
