【一种数字音频系统的设计与实现10000字（论文）】

第第II一种数字音频系统的设计与实现摘要：生活水平的逐渐提高使人们提升了对音乐品质的追求，数字音频系统对音乐品质的提高以及对人们聆听感受的提升有着极为重要的作用，故各种数字音频系统日渐流行。数字音频系统包含各种音效处理器，目前常见的音效处理器有常用于修饰和增强音质的均衡器，在电影后期配音和音乐制作中用于模拟不同环境下产生不同效果的混响器，以及为了减小信号传输带宽而压缩信号动态范围的动态增益控制器。而均衡器是最基本的音效处理器，也是数字音频系统实现的重要基石，所以本文将使用均衡器设计并实现一种音频系统，经过验证，本系统性能优良，音频均衡处理效果达到要求。关键词：数字音频系统；嵌入式系统；图示均衡器；滤波器；音效处理目录论文总页数：49页TOC\o"1-3"\h\u27872引言 269101相关技术基础 583881.1音频技术 5110041.1.1从模拟到数字 556091.1.2压缩编码 5255581.1.3数字音频接口 529801.2均衡器技术 5262191.2.1技术原理 527382硬件设计方案 7159912.1系统框图 7179302.2主控单元 7308702.2.1时钟和复位电路 8121172.2.2调试和电源电路 10249312.3均衡器单元 12174142.3.1电源电路 13324182.3.2接口电路 131132.4系统电源 1467982.5音频功放单元 1541723软件设计方案 17150433.1总体流程 17206053.2文件读取 17264663.3软解解码 1951613.4数据传输 2031643.5音效处理 21285074系统调试和测试 23199744.1硬件电路调试 2371004.1.1系统组装及调试环境搭建 23131604.1.2电源电路调试及性能测试 24287204.1.3音频回路调试 26235204.2软件调试 28272344.2.1软件工程搭建 28253684.2.2测试音频合成 293724.3系统联调 3027993结论 3229554参考文献 332885附录一原理图和PCB图 358928附录二关键程序 361引言1.1研究背景音频均衡处理（EQ）是数字音频系统实现的重要环节，通过对数字音频信号中的各个频率分量独立进行增益调节，实现各种音效的同时还可以改善整体系统性能。对于频响曲线不平坦的扬声器，可以使用均衡器做适当的增益补偿使扬声器的频响曲线变得平滑；同时，也可以使用均衡器来人为制造“失真”效果，获得各种不同风格的音乐效果，如古典、摇滚等。均衡器种类繁多，常用的有参数均衡器和图形均衡器，参数均衡器可以自由设定中心频率、Q值和增益三个参数；而图形均衡器通常将20Hz到20kHz划分为数个固定中心频率和Q值的固定频段，只需要简单调节各频段的增益即可实现均衡器功能，是目前市面上最普遍使用的均衡器。通过DSP运行算法可以设计出特定参数的数字滤波器，然后将所设计各个滤波器进行级联构成均衡器，然而数字滤波器的各项参数运算复杂且运算量通常很大，需要反复仿真以确定带宽和增益等各项参数；本文采用的WM8978是一个集成5-band图形均衡器的CODEC，该图形均衡器设计灵活，在每个band内都有5个中心频率点可供选择，中间的3个带通滤波器支持平坦和窄带两种调节带宽模式，并且拥有-12dB到+12dB的增益调节范围。使用WM8978可以避免复杂的数学运算和大量的仿真实验，高效且低成本地实现各种数字音频系统。1.2研究意义在电子技术和数字信号处理技术的促进下数字音频系统技术已经成为现代音响技术最热门的领域之一，这让许多研究机构和音响公司都在这个领域不断尝试与创新，展现出了一幅百家争鸣百花齐放的盛世局面。均衡器是数字音频系统的基石，最初的均衡器都是采用模拟电路或者建筑声学的方式来实现，模拟电路仅能实现简单的音乐风格，而且体积大、成本高、精度低、对环境敏感、抗噪声能力弱和灵活性低；而采用建筑声学的方式过于麻烦。通过数字音频系统对音频信号进行均衡处理，可以很容易就实现原来那些只能通过模拟技术或者建筑声学实现的音频效果，还能弥补模拟信号处理造成的各种问题。均衡器既可以使用DSP运行复杂的算法实现也可以通过搭建嵌入式系统来实现，两者在处理效果上不分伯仲，但是在设计难度上DSP方案涉及大量的数字信号处理知识和算法设计工作，难度大周期长；而WM8978内部集成了均衡器，仅需搭建MCU+WM8978的嵌入式系统，通过编程改变均衡器的频带参数和增益参数即可实现令人满意效果，还可以减小设计难度缩短设计周期。1.3国内外研究进展芯片制造厂商已经设计了很多将EQ效果固化进CODEC的集成芯片，如NXP的SGTL5000和TI的PCM5121。SGTL5000是一款集成立体声耳放的低功耗音频CODEC，其内部固化了一个5频段的图形均衡器和一个7频段的参数均衡器，其中图形均衡器固定中心频点为115Hz、330Hz、990Hz、3000Hz和9000Hz；增益调节范围从-11.75dB到+12dB；参数滤波器可编程内置DSP来设计各数字滤波器的中心频率、Q值和增益等参数实现均衡效果。图1.1SGTL5000系统框图TI的PCM5121是一款参数均衡滤波器芯片，其内部采用TI的独有DSP技术将频段根据采样率来划分，通过TI的专业音频软件PurePathStudio对其进行图形化编程，设置各个中心频点、带宽、Q值和增益之后便可以便捷快速地完成均衡器的设计。图1.2PCM5121系统框图1.4本课题研究的主要内容本课题主要使用WM8978设计数字音频系统实现均衡器功能，其中包括以下几个方面：（1）分析音频技术的发展和均衡器设计原理。（2）.设计系统硬件方案，针对元器件选型、电路方案设计进行分析。（3）设计系统软件架构，对软件设计思路进行分析。（4）设计测试方法并对均衡器进行测试，分析测试思路和测试结果。

2相关技术基础2.1音频技术2.1.1从模拟到数字随时间连续变化的信号一般称作模拟信号，自然界存在的信号都是模拟信号，要对音频信号做均衡效果处理，就需要通过模数转换将原始音频信号转换成数字编码。最常见的模数转换是脉冲编码调制(PulseCodeModulation，简称PCM)方式REF_Ref27464\pREF_Ref27464\w[1]，这也是最简单的波形编码方式，PCM编码过程如图所示。图2.1PCM编码过程2.1.2压缩编码原始信号经过A/D转换器采样、量化和保持后采用脉冲编码(PCM)方式进行编码，PCM编码得到的文件就是没有压缩的原始数字音频文件，通常称作PCM裸流，PCM裸流经过D/A转换可还原为模拟信号REF_Ref28927\w[1]。2.1.3数字音频接口数字音频接口(DigitalAudioInterfaces，简称DAI)常用于板级音频信号传输。与传统模拟音频信号接口不同的是DAI采用全链路数字脉冲传输信号，使其抗干扰能力远优于模拟传输方式。2.2均衡器技术2.2.1技术原理参数均衡器可以对基本滤波单元中心频率、带宽和增益进行独立控制。在中心频率点两侧各存在一个点,这两个频率点对应幅值与中心频率点对应幅值存在某种固定关系,而带宽就是这两点之间的频率差值,这个参数表征着频谱所受滤波器影响的范围。通常,规定幅值等于中心频率点对应幅值的0.707倍(3dB)的两频率点差值为带宽,有时也用中心频率对应幅值的一半表示。有时并不用数值上的差值来表示带宽,而用倍频程来表示。3硬件设计方案3.1系统框图整个系统硬件上由电源管理单元、主控单元、EQ均衡处理单元、显示模组以及音频功放单元组成；电源管理单元负责系统各个模块的供电，主控单元完成EQ单元逻辑控制及音频软解码工作，EQ处理单元在主控单元的控制下完成对音频数据流的均衡效果处理并进行DA转换还原出模拟音频信号，后级功率放大单元对还原出的模拟信号进行功率放大并驱动扬声器播放音乐。图3.1硬件系统框图3.2主控单元系统采用ST公司的STM32F407vet6芯片作为主控，该芯片内核为ARM公司设计的Cortex-M4，支持32bit数据的位宽以及高达168MHz的主频，拥有1MByte的片上Flash和192KByte的片上SRAM，支持1.8V到3.3V的超宽供电电压范围；接口方面支持3组全双工SPI,2组与SPI接口复用的全双工I2S接口，3组最高支持1Mbps的高速I2C接口，4组全双工USART接口和2组全双工UART接口；详细片上资源如图2.2所示。图3.2主控片上资源3.2.1时钟和复位电路内核时钟主要有三个来源：分别是外部高速晶体振荡器(HSE)、内部高速RC振荡器(HSI)和内部PLL锁相环电路，HSI或HSE既可以BypassPLL电路直接为内核模块提供时钟信号也可以作为PLL的输入时钟源，经过PLL时钟电路进行分频处理后给内核模块提供更高速可靠的时钟信号；由于原始时钟信号时钟频率低且存在相位抖动等问题，一般都将其接入PLL电路进行处理，PLL经过一系列的分频反馈操作之后可获得比原输入时钟频率高数倍且更加稳定的时钟频率。HSE频率和相位可靠性以及抗干扰性能远优于HSI，所以采用HSE作为输入时钟源并经过PLL后给芯片内核提供时钟信号。电路设计如图2.4所示，采用晶体振荡器作为发生器，配合负载电容获得稳定的时钟频率，为减小板上耦合电容对负载电容的影响，layout时将晶振下方的铜皮去除，同时在焊接层周围对晶振进行“包地”处理，减小晶振的EMI辐射对其它模块的影响。图3.3内核时钟源及系统时钟树框图图3.4外部时钟源电路MCU上电后需要在NRST引脚处提供至少20us的低电平时间使MCU完成复位工作，该引脚内部电路如图3.5所示，管脚内部有一个阻值至少为30k欧姆的上拉电阻Rpu，上电时主电源通过该电阻给外部设计电路中的电容充电，该充电时间段内引脚电平缓慢上升，经过后面的比较整形和滤波电路即可输出满足时间要求的内部复位信号。图3.5NRST引脚内部电路3.2.2调试和电源电路为了方便程序跟踪调试，芯片集成了支持SWD和JTAG两种调试器的内核调试模块，在本系统中引出SWD作为在线烧录和跟踪调试接口，另外预留UART接口方便调试信息获取以及与显示模组通信。图3.6调试接口电路芯片供电划分为三个区域，IO、CPU和Flash所在的数字电路供电区、ADC、内部RC振荡电路和PLL电路所在的模拟电路供电区以及包含RTC等低功耗设备的备份电源供电区，芯片内部供电区域分布如图2.7所示；除备份电源区支持1.65V到3.6V的超宽供电电压范围外，模拟电路区和数字电路区供电电压一般为3.3V，其中数字电源区内置电压调整电路，其上电工作时序如图2.8所示，随着主电源上升至1.7V复位引脚NRST完成复位工作，内部调整器进入工作状态，从而禁能复位信号使芯片进入工作状态；根据芯片供电框图需求所设计滤波电源电路如图2.9所示，主要由104大小的电容紧靠芯片管脚滤除电源高频噪声，瞬时大电流由电源主干路的大电容提供。图3.7电源分布框图图3.8内部电压调整器与主电源和NRST电平时序关系图图3.9MCU电源滤波电路3.3均衡器单元WM8978是一款低功耗高品质的便携设备立体声编解码芯片，内部集成一个HI-FI级数字信号处理内核，支持增强3D硬件环绕音效和5频段的硬件均衡器，可以有效改善音质REF_Ref30732\w[4]；音频输出方面片内集成一个扬声器和一个耳机功率放大器，扬声器最高可输出1W功率，且配置了一个数字限制器防止扬声器因声音过载而损坏，耳放在负载阻抗为16欧姆的情况下可提供40mW的无电容输出功率，能驱动市面上绝大多数高阻抗Hi-Fi耳机满功率运行。WM8979的主要特性有：（1）I2S接口，支持最高192K,24bit音频播放（2）DAC信噪比98dB，ADC信噪比90dB（3）支持无电容耳机驱动（40mW@16R）（4）支持扬声器输出（1W@8R）（5）支持左右声道音量独立调节（6）支持3D效果和5段EQ调节图3.10WM8978系统框图3.3.1电源电路数字音频信号在WM8978内部进行D/A转换还原模拟音频信号，而数字逻辑电路瞬态电流会对模拟信号产生高频噪声干扰，因此需要将模拟电源和数字电源进行隔离。在图2.11电源电路的设计中，扬声器功率放大器电源SPKBVDD和耳放电源AVDD采用VDDA供电，而数字逻辑部分的DCVDD和DBVDD则采用VDD进行供电。图3.11WM8978电源电路3.3.2接口电路WM8978通过配置MODE引脚可选择SPI或者I2C总线与MCU通信完成寄存器配置工作，I2S接口的配置可以通过改写对应寄存器改变传输数据位数、音频采样率以及对齐方式与音频数据流保持一致；音频输出接口支持无电容输出方式，但是输出的直流偏置电压会引起耳机在无音乐状态下出现电流声，所以采用大电容作为隔直电容降低高通截止频率以补偿音乐低频效果，图2.12中输出下限频率根据一阶RC电路转折频率点公式

fl=图3.12WM8978接口电路3.4系统电源系统电源电路设计如图2.13所示，采用TI公司的TPS562200Buck电源芯片，其特性如下：1）支持从4.5V到17V的宽输入电压范围；2）输出端为内部集成的2个导通电阻为100毫欧最大支持输出2A电流的MOSFET，可以在大负载下有效控制自身发热状况；3）集成TI独家用于快速响应瞬态负载的D-CAP2™模式控制电路，简化外部滤波电路，增强输出纹波抑制能力；4）集成削弱瞬态电流冲激的Eco-mode™脉冲跳跃电路；5）集成实用的OVP、ULVO和TSD等保护电路。图3.13系统电源电路图输入端的2个10uF的退耦电容，焊接时各采用0805和0603封装，在利用大容量电容对低频的低阻抗特性滤除低频纹波的同时，根据不同封装大小所特有的寄生参数不同特性阻碍中频段纹波进入芯片，而输入端的三个电容保持空位，利用焊盘间的寄生参数滤除高频噪声。在2脚SW和6脚VBST之间连接一个0.1uF的电容配合芯片内部寄生电阻给上、下MOS导通提供死区时间保护。L1和EC3组成LC低通滤波器滤除高频噪声的同时储存能量给后面的负载提供能量。电阻网络分压得到的电压通过VFB引脚与内部基准电压比较后改变控制脉冲占空比，从而控制输出电压Vout大小，其关系式为

V3.5音频功放单元TPA3138是一款2x10W高效率、低空闲电流的D类立体声音频功率放大器，在12V供电电压情况下，可在阻抗6欧姆的扬声器上实现1%THD+N的满载2x10W功率输出；利用扩频控制实现先进的EMI抑制功能，允许在满足EMC降低系统成本要求的同时，使用价格低廉的铁氧体磁珠滤波器REF_Ref31585\w[5]；为了进一步简化设计，TPA3138D2集成可自动恢复的保护特性，包括欠压、过压、功率限制、短路、过热以及直流扬声器保护REF_Ref31585\w[5]。12V输入电源经过1000uF的电解电容、01uF的涤纶电容和1000pF的云母电容组合滤波后给芯片供电；输入部分使用1uF的电容隔离上级单元的直流偏置电压，增大输入动态范围的同时减小直流偏置引起的热损；输出部分使用1000pF和68欧姆的阻容网络作阻抗匹配最大化输出功率；芯片支持用简单的阻容网络来限制最大输出幅度以防出现严重的失真现象。图3.14TPA3138音频功放电路

4软件设计方案4.1总体流程软件部分由图3.1所示的文件读取、软件解码、数据传输和音效处理四个模块组成，文件读取模块进行文件管理和原始音频文件读取；软件解码模块将采用特定的解码算法完成对音频的解码工作，并将解码后的数据流存入系统缓存；数据传输模块根据文件内容对I2S接口进行初始化，将缓存中的数据流通过该接口传输到音效处理模块，并采用特定算法保证数据流的不间断传输；音效处理模块包含5段EQ均衡处理和3D音效增强处理等，通过人机交互完成该模块的实时参数调节功能。图4.1软件总体流程图4.2文件读取文件读取流程图如图3.2所示，系统引入FatFs文件管理系统对文件进行管理，首先完成对底层SDIO协议的初始化工作，包括有效时钟沿、数据位宽、时钟分频系数以及底层IO，然后初始化FatFs文件系统，使能系统的文件管理功能；在完成初始化工作之后开始读取操作，首先使用f_mount函数挂载SD卡，挂载成功后使用f_open函数打开目标文件，如果文件存在使用f_read函数读取文件内容，在读取结束后使用f_close关闭文件防止文件损坏。图4.2文件读取流程图4.3软解解码系统使用的音频文件格式为WAV，其文件定义如图3.3所示，WAV格式音频文件主要由RIFF、FMT和DATA三个数据块构成；RIFF数据块包含ChunkID、ChunkSzie和Format三个子数据块，主要用于判断文件是否为WAV格式；FMT数据块则主要由Subchunk1ID、Subchunk1Size、声道、采样率、采样深度、比特率以及对齐字节等子数据块构成；DATA数据块除了Subchunk2ID、Subchunk2Size两个子块外还有一个由音频数据构成的data子块。图4.3WAV文件格式结构软件解码操作流程如图3.4所示，先将文件的前64个字节读入解码缓存区，根据图3.3的文件结构将RIFF数据块的ChunkID和Format对应的字节按照大端模式获取ASCII码对应内容，如果获得的字符串分别为“RIFF”和“WAVE”，则文件是WAV格式；将RIFF数据块后的每4个字节都假设为Subchunk1ID子块，当对应字符串为“fmt”时，表示后面的20字节为FMT块内容，根据WAV格式获取音频文件的声道、采样率、采样深度、比特率以及对齐字节等信息；使用FMT数据块的查找方式查找DATA数据块，获取音频数据的相对起始位置。图4.4软件解码流程图4.4数据传输数据传输部分主要涉及I2S参数配置和防破音传输，首先对I2S进行预初始化，完成主从模式、空闲电平、对齐模式以及IO口等与传输文件无关的参数配置；完成文件读取与软件解码后，再用文件采样位数、采样频率初化I2S的位时钟、声道时钟和主时钟参数。为了防止数据传输时出现破音现象，系统引入双缓存DMA和中断进行协调，DMA可以在CPU不干预的情况下直接将内部缓存区的内容传输到外设，双缓存可以让CPU在DMA传输第一缓存区数据时将音频数据从SD卡填充第二缓存区，并在DMA传输完成时产生的中断中更换缓存区，实现无停顿传输避免破音现象的发生。图4.5数据传输流程图4.5音效处理在进行均衡器音效处理时，串口屏将交互设定的参数实时通过串口发送给MCU，但是当串口屏发送数据包时，MCU可能正在传输音频数据流而不能及时接收数据包，导致所设参数无效，所以引入串口中断进行协调；当串口中断发生的时，为了防止MCU未能及时切换音频数据缓冲区而导致破音，MCU将暂停数据填充和发送动作，并在中断中仅接收数据而不作参数解析，在接收完成后即刻恢复传输；在传输空闲期间MCU均衡器将参数解析出来，并在数据缓冲区切换的时候通过I2C写入WM8978对应的寄存器完成音效处理。图4.6音效处理流程图

5系统调试和测试5.1硬件电路调试5.1.1系统组装及调试环境搭建前期根据所设计原理图进行layout画板，设计完成后进行DRC检查并根据EDA的规则检查报告更改PCB，在完成所有硬件设计阶段工作后将所设计PCB发板，导出BOM信息表准备物料；在样板返回后检查PCB板上各模块的电源线和关键信号线，检查没有问题后开始焊接工作。所有模块均集成在单块PCB底板上，为了方便调试，焊接时电源模块与其他模块之间的0R电阻以及模块内部的0R电阻均先不焊接，等完成电源电路调试和性能测试后再将其焊接上；完成焊接工作后，在PCB四周安装螺柱将其垫高，以防在测试过程中PCB底层焊点与导电体接触构成回路发生短路现象。图5.1实际电路组装测试环境如图4.2所示，主要使用了可编程式直流电源、数字万用表、DDS函数发生器、电子负载以及双通道示波器等常规电子测量仪器，详细型号如表4.1所示。图5.2测试环境仪器型号可编程直流电源KEITHLEY2231A-30-3双通道示波器TektronixTBS1102B-EDUAgilentTechnologiesDSO-X2012ADDS函数发生器TextronixAFG1022电子负载ITECHIT8511A数字万用表KEITHLEY2210FLUKE287C表5.1测试仪器型号5.1.2电源电路调试及性能测试断开电源模块与系统其他模块之间的连接，用万用表蜂鸣挡测试板子上电源线路是否有短路，设置外部直流电源输出电压为5V，输出电流上限为5mA；确保能准确测量芯片静态工作电流，取下板载LED电源指示灯，然后焊接EN与VIN引脚之间的OR电阻使电源芯片进入待测工作状态；将直流电源黑色接线端与板子上的GND相连，万用表红表笔接直流电源红色接线端，黑表笔与板子电源输入端相连，然后打开电源输出开关进行测。实际测量静态工作电流大小为316uA左右，VFB大小为0.815V左右，官方芯片数据手册所给静态工作电流大小在230uA到330uA范围，VFB大小为0.8V，实际测得电流值由于板载电解电容的漏电流较大、万用表插入损耗以及测量室温与手册存在偏差等原因所以处于手册范围中偏大水平。将VIN与EN管脚之间的0R电阻断开后可测得此工作状态下的静态电流大小为6uA左右，与手册范围保持一致。图5.3芯片手册静态工作电流范围在确定电源芯片工作状态正常后，焊上LED电源指示灯，然后进行电源模块负载能力测试，系统设计供电为12V，设定可编程直流电源输出电压为12V，输出电流上限为3A；从电源模块的滤波电容的引脚引出测试连接线，电子负载“-”端与板子GND测试连接线相连，“+”端与系统电源模块输出连接线相连，电源模块为其他模块所提供电压为3.3V，所以电子负载采用CV（恒定电压）模式进行测试；设置电子负载电压为3.3V，打开电子负载开关后打开电源开关，测试结果如图4.4所示。图5.4电源模块负载测试在3.3V的恒压负载测试下，输出最大电压值为3.34V左右，满足系统供电电压要求，输出电流为820mA左右，输出功率可达2700mW，而系统整体设计功耗不足700mW将近有3倍的功耗裕量，所以电源模块可以在基本没有发热情况下给其他模块提供所需功耗。在测试完电源模块负载性能后，断开电子负载与板子之间的连接，将示波器的探头连接到板子上进行空载电源输出纹波测试。在示波器面板上打开与板子相连的通道，选择交流耦合方式，调整横轴参数为10ms/div纵轴参数为50mV/div进行测试，结果如图5.5所示。图5.5电源纹波测试在空载状态下，3.3V的直流电压上叠加了一周期为100Hz左右，峰-峰值为50mV上下的低频纹波，而板子上的其他模块可以在2.8V到3.6V的电压范围内正常工作，芯片的外围退耦电路也可以在很大程度上抑制低频纹波对电路的干扰，故该纹波对系统的影响可以忽略不计。5.1.3音频回路调试在Matlab里面编写程序使用48000Hz采样率16bit采样深度的采样信号对一个频率为1000Hz响度为0dBSPL的正弦信号进行采样，并生成一个WAV格式的立体声音频测试文件，将该文件内的正弦信号作为参考信号分别对音频回路内的MCU+CODEC单元、后级功放单元以及两个单元构成的完整音频回路进行测试，由于该文件所包含的测试信号并非为零失真度的正弦信号，所以该部分测试结果仅作参考；另外，由于缺少必要的测试环境和设备，音频测试回路并不包含扬声器单元，而后级功放为D类输出，不能直接测量电子失真度，需要通过扬声器播放来测量失真度，所以包含后级功放的测试单元皆不做失真度测试。图5.61000Hz测试音频频谱分布将装有测试文件的SD卡插入板子上的TF卡槽，断开CODEC和后级功放之间的耦合电容，将示波器探头接入CODEC输出测试点，开始播放测试文件，按下示波器面上的“Math”按钮，在屏幕侧边的运算模式选择栏选择“FFT”模式，选择FFT窗口为“hanning”窗口，设置中心频率点为5kHz，刻量单位为“Vrms”，然后使用光标读取前5次谐波的幅值并作记录，并根据THD计算公式5.1算出当前输出幅值对应下的THD值.

THD=图5.7CODEC各次谐波分量图谐波次数谐波分量大小基波117mV二次谐波41mV三次谐波32mV四次谐波21mV五次谐波12mVTHD4.27%表5.2CODEC各次谐波分量大小通过系统播放测试文件，示波器的两个探头分别接到后级功放同一输出端的两个接线点上，示波器选择“-”运算模式，经过运算后还原的测试音频包络如图4.8所示。图5.8系统音频回路输出波形D类功放的输出端载波频率为400kHz，在没有音频信号时，由于调制载波是同频同相的共模信号，扬声器上没有电流流过；而在信号输入时，功放的调制电路将输出端设置为差分模式并将音频包络调制在高频载波上，经过扬声器内部线圈将音频包络还原推动振膜发声。5.2软件调试5.2.1软件工程搭建STM32CubeMX是ST公司推出的辅助开发软件,软件内集成了ST公司全系列单片机的片上资源，通过简单的配置即可生成资源初始化工程，可以极大地降低开发的工作量、时间和成本。在STM32CubeMX中新建工程，配置系统和外设时钟、外围接口和中间插件，根据自己工程的大小配置不同的堆栈大小，最后生成MDK5工程文件。本设计使用STM32CubeMX进行工程创建和MCU外设初始化配置并使用创建的HAL库工程进行开发，STM32CubeMX工程配置如下图。图5.9STM32CubeMX软件界面5.2.2测试音频合成根据音频均衡器的增益调整频点，使用MatLab软件生成对应频率组合而成的正弦信号，并使用48kHz16bit的采样信号对合成的正弦信号进行采样后打包生成WAV格式的音频文件。将生成的音频文件使用AdobeAudition软件打开，观察各声道波形，调整各频率分量的初始音量大小确保各叠加的信号频率均无失真现象。图5.10合成测试音频各声道波形5.3系统联调硬件单元和软件单元测试完成后，对系统进行联合调试，系统播放测试文件后，通过交互界面调整均衡器参数，将示波器的探头接到CODEC输出端，选择“FFT”运算模式观察各频率分量的幅度变化情况。图5.11测试音频左声道初始频谱图图5.12测试音频右声道初始频谱图在交互界面衰减100Hz频率点的增益时情况如图所示，100Hz频点处的幅值减小，可以实现衰减频点增益效果。图5.13100Hz增益衰减图在交互界面提升5300Hz频率点的增益时情况如图所示，5300Hz频点处的幅度增大，可以实现提升频点增益效果。图5.145300Hz增益提升图结合上述测试结果，可以证明所设计数字音频系统可以通过人机交互改变各频点增益实现均衡器效果！

6结论经过漫长的方案论证、资料收集、系统设计调试，最终完成了本课题的设计制作，完成了以下任务：1、收集数字音频系统技术相关资料，深入理解均衡器在数字音频系统中的重要作用。2、从理论上分析均衡器的实现原理，阐述使用WM8978设计和实现音频系统的思路及相应优点。3、设计系统硬件方案并绘制原理图和PCB，完成PCB打样和物料采购。4、设计系统整体软件架构，并使用C语言完成功能代码编写。5、完成硬件电路调试和软件功能测试，最后进行整体系统联合调试。6、使用Matlab合成测试音频对整体系统进行测试，并对测试结果进行适当分析。随着人工智能、物联网技术以及5G技术的发展，越来越多的数字音频系统将被应用于日常生活中，听和说都将是各种日常生活相关设备的基本功能，这也是数字音频系统的用武之地，可以通过听和说完成人机交互快速获取各种信息。在音乐领域，数字音频系统可以完成对音乐信号的各种无损处理，对音乐进行定向化渲染，使得音乐在不同环场景下都有着动人的聆听感受。

参考文献[1]熊乾清.数字音频转换器(YQ-669A):,CN304861118S[P].2018.[2]刘栋.数字音频中合理精度转换的重要性[J].乐府新声：沈阳音乐学院学报,2018,36(3):8.[3]郭振南.有线数字电视音视频数据采集处理系统建设与应用[J].广播电视信息,2020(4):3.[4]李晨.数字音频编辑软件的应用[J].西部广播电视,2019(2):1.[5]宋婷婷,杨培.多媒体计算机的数字音频处理技术实际应用简析[J].科学与信息化,2019(15):1.[6]李正万.广播电视工程中数字音频技术的优势与应用分析[J].2020.[7]尹学渊,王东明,江天宇.一种抗压缩音频无声水印嵌入和提取方法及系统:,CN111292756A[P].2020.[8]杨奇,冯杰.用于音频编码/解码/转码的频率域中水印插入:,2020.[9]刘媛,牛小明.基于IMF的电影数字节目存储应用技术工艺设计与实现[J].现代电影技术,2019(7):4.[10]王小强.试论计算机数字音频的应用[J].电脑知识与技术:学术版,2021.[11]王炜,谢超平,肖睿.一种基于非对称加密的视音频可信播放方法:,CN110602570A[P].2019.