吉他效果器的研究与设计

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自动化关康信 0601431015专 业：姓 名：指导老师：苏禹学 号：职 称：讲师中国珠海二一年 五月北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文II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 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IIThe Design And Research of Guitar Effect ProcessorABSTRACTWith 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 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 separately 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 thesis 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 effector 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 .IABSTRACT.II1 绪论 .11.1 论文研究背景 .11.2 国内外研究现状 .11.3 论文主要内容 .22 系统总设计 .32.1 系统要求 .32.2 系统方案的确定 .32.3 芯片选型 .42.3.1 DSP 选型 .42.3.2 单片机选型 .52.3.3 CODEC 选型 .52.3.4 SDRAM 选型 .53 硬件设计 .63.1 DSP 与单片机的连接 .63.2 DSP 与 CODEC 的连接 .73.3 DSP 与 SDRAM 的连接 .103.4 电源模块 .103.5 模拟信号处理电 路 .113.5.1 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IV3.5.2 阻抗匹配问题 .133.6 信号选通模块 .143.7 人机交互电路 .154 系统软件设计 .174.1 系统总工作 流程 .174.2 系统的初始化 .184.2.1 单片机的初始化 .184.2.2 DSP 的初始化 .194.2.4 SDRAM 的初始化 .224.2.5 CODEC 的初始化 .235 音频算法的分析与设计 .255.1 Delay (延迟) .255.2 Tremolo(震音) .265.3 Vibrato (颤音) .275.4 Chorus (合唱) .285.5 Flanger(镶边) .295.6 Phase (移相 ).306 系统调试 .327 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 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11 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，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北京理工大学珠海学院 2010 届本科生毕业论文2很多毛病，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 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