專利名稱：數(shù)碼吉它音響設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬音響技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用SOC方式對電吉它信號進行數(shù)碼處理并添加音響效果的吉它音響設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的吉它音響是使用模擬電子線路對吉它電信號進行處理和加工。為了達到需要的音響效果，必須對每一種預定音響效果使用一個專用模擬電路，有些效果還必須使用機電轉(zhuǎn)換的方式來取得，這樣的處理必然導致線路設(shè)計復雜，音響設(shè)備笨重。本發(fā)明將完全改變吉它音響笨重和技術(shù)陳舊的傳統(tǒng)形象。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將數(shù)字信息技術(shù)引入吉它音響領(lǐng)域，用高集成度的數(shù)碼技術(shù)取代吉它音響中大部分的模擬電路和機電轉(zhuǎn)換設(shè)備，讓吉它音響象筆記本電腦一樣，可以輕松攜帶，又具備比傳統(tǒng)設(shè)備有過之而無不及的功能。
本發(fā)明根據(jù)數(shù)字信號處理原理，使用高集成度的數(shù)碼技術(shù)和將數(shù)字化的吉它電信號根據(jù)預設(shè)程序進行加工處理，再轉(zhuǎn)換成模擬信號，并經(jīng)過信號放大處理后輸出。
本發(fā)明提出的數(shù)碼音響設(shè)備，其電路結(jié)構(gòu)由前置放大器1、頻率濾波器2、數(shù)字/模擬信號編碼器3、模擬信號后期加工器4、5，雙通道放大器6和7、電可編程只讀存儲器8、效果編碼選擇器9、中央處理器11、音頻信號濾波算法專用處理器12、控制總線13、數(shù)據(jù)總線14、輸出入/存儲控制器15、隨機存儲器16、只讀存儲器17經(jīng)電路連接構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)框圖見圖1所示。其中，中央處理器11、音頻信號濾波算法專用處理器12、輸出入/存儲控制器15、隨機存儲器16、只讀存儲器17的控制線和數(shù)據(jù)線分別接入控制總線13和數(shù)據(jù)總線14，并集成于專用芯片10。電可編程只讀存儲器8輸出和控制線分別接入輸出入/存儲器15，效果編碼選擇器9接入控制總線13，數(shù)字/模擬信號編碼器3的控制線和數(shù)據(jù)線分別接入控制總線13和數(shù)據(jù)總線14；前置放大器1接入頻率濾波器2后連接于數(shù)字/模擬信號編碼器3的輸入線，編碼器3的輸出線分別連接于模擬信號后期加工器4和5，然后分別連接于雙通道放大電路6和7。
下面結(jié)合電路框圖1作進一步說明。
吉它電信號通過模擬信號高增益非線性前置放大器1進行放大后，將信號輸入頻率濾波器2進行信號均衡處理，然后輸入有內(nèi)置存儲器的高速數(shù)字/模擬信號編碼器3(CODEC)，將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成高精度數(shù)字信號后暫時存放在內(nèi)置內(nèi)存里。
接在過載控制級后面的，是三段衰減式頻率均衡濾波器2，該電路具有較高的信噪比、恰當?shù)目刂魄€，可充分配合各種音色的電吉他對100Hz、800Hz、6kHz三個頻段的信號電平進行精確的提升/衰減控制，以獲取想要得到的任何音色。
均衡濾波器電路2之后的信號，被通過一塊運放構(gòu)成的預加重電路對即將進入DSP模塊的信號高頻部分進行提升，+3dB的轉(zhuǎn)折頻率點為7kHz，然后再輸入有內(nèi)置存儲器的高速數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3(CODEC)，將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成高精度數(shù)字信號后暫時存放在內(nèi)置內(nèi)存里；數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3在內(nèi)置內(nèi)存的數(shù)據(jù)存量達到一定數(shù)值時，通過控制總線13，向輸出入/存儲控制器提15提出直接將這些數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)/地址總線14存入隨機存儲器16的請求，輸出入/存儲控制器15在向中央處理器11請求中斷處理成功后，將允許此請求，并在這些數(shù)據(jù)在隨機內(nèi)存器16內(nèi)的指定區(qū)域內(nèi)完成存儲后，再此向中央處理器11請求中斷處理。這樣的處理方式保證了可以對輸入信號進行實時處理。
中央處理器11在收到這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被存入隨機存儲器16的指定區(qū)域內(nèi)的信息后，向音頻信號濾波算法專用處理器12發(fā)出指令，根據(jù)效果編碼選擇器9動態(tài)設(shè)定的音響效果選擇編碼，加工處理這些數(shù)據(jù)。在加工處理完畢的數(shù)據(jù)被放入數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3內(nèi)，轉(zhuǎn)換成雙通道模擬信號后輸入模擬信號后期加工器4、5，以及雙通道放大電路6、7后，再輸出至揚聲器，完成電信號轉(zhuǎn)換成聲音的過程。
在本電路通電啟動時，中央處理器11會根據(jù)只讀存儲器17內(nèi)的程序，對系統(tǒng)進行初始化(包括隨機存儲器16內(nèi)部區(qū)域的劃分、輸出入/存儲控制器15和數(shù)字/模擬信號編碼器3的初始化)，并從電可編程只讀存儲器8內(nèi)取出預設(shè)的用來加工和生成特定音響效果的數(shù)據(jù)，通過輸出入/存儲控制器15的控制經(jīng)由控制總線13、數(shù)據(jù)/地址總線14，存到隨機存儲器16內(nèi)，以便在處理數(shù)字信號時快速讀取和使用。
本發(fā)明中，中央處理器11是一個40千赫茲，16比特的低成本中心處理器，與之配合的是一個專用的高速音頻信號濾波算法專用處理器12。中央處理器11、音頻信號濾波算法專用處理器12、控制總線13、數(shù)據(jù)/地址總線14、輸出入/存儲控制器15、隨機存儲器16和只讀存儲器17是一個被集成在同一個芯片上的系統(tǒng)(SOC)。
由于本發(fā)明引入了數(shù)字信息技術(shù)，使吉它的結(jié)構(gòu)發(fā)生了革命性變化，可做成象筆記本電腦大小，給攜帶使用帶來極大方便，而且音響效果更為理想，為音樂愛好者或旅行中的音樂家提供了具有專業(yè)水準便攜音響設(shè)備。


圖1為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)框圖。
圖2為本發(fā)請求中斷處理流程框圖。
圖3為本發(fā)明外形結(jié)構(gòu)圖示。
圖中標號1為高增益非線性前置放大器，2為三段衰減式頻率均衡濾波器，3為數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器，4、5為模擬信號后期加工器，6、7為雙通道放大電路，8為電可編程只讀存儲器，9為效果編碼選擇器，10為集成11-17的芯片，11為中央處理器，12為音頻信號濾波算法專用處理器，13為控制總線，14為數(shù)據(jù)/地址總線，15為輸出入/存儲控制器，16為隨機存儲器，17為只讀存儲器，18為本音響設(shè)備前片盒體，19為本音響設(shè)備后片盒體，20為支撐腳。
具體實施例方式
下面進一步描述本發(fā)明的實施方式。
把中央處理器11、音頻信號濾波算法專用處理器12、控制總線13、數(shù)據(jù)/地址總線14、輸出入/存儲控制器15、隨機存儲器16和只讀存儲器17集成于一個專門芯片10。芯片的外部連接的主要元件是數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3、電可編程只讀存儲器8和效果編碼選擇器9。
音頻信號濾波算法專用處理器12是一個具有36比特數(shù)學運算功能和內(nèi)置存儲緩沖器的乘法器，在設(shè)計上著重于對數(shù)字信號的自適性濾波算法的加速計算功能，是對中央處理器11在運算方面進行補充的一個功能性邏輯電路。它通過控制總線13(時鐘信號、地址選擇、芯片選擇、ACK信號、GRANT信號、中斷請求及GRANT信號、延遲信號等等)和24比特的數(shù)據(jù)/地址總線14與中央處理器11連接。
效果編碼選擇器9實際上是由1個1x5編碼電位器、4個1x4編碼電位器和電子開關(guān)電路組成；編碼器組合起來根據(jù)正面面板上的DSP Preset Group旋鈕的選擇位置而產(chǎn)生不同的預置效果。其中1111、1110、1101、1100分別代表用戶已經(jīng)選擇了第A組的VibraFlange 1、Funky 2、Rockabilly 3、Big Stage 4；1011、1010、1001、1000分別代表用戶已經(jīng)選擇了第B組的Vibrato 1、Vibrato 2、Vibrato 3、Vibrato 4；0111、0110、0101、0100分別代表用戶已經(jīng)選擇了第C組的Flanger 1、Flanger 2、Flanger 3、Flanger4；0011、0010、0001、0000分別代表用戶已經(jīng)選擇了第D組的Chorus 1、Chorus 2、Chorus3和Chorus 4。這里A、B、C、D 4組標志都在控制面板上。
由編碼電位器輸出組成的4比特數(shù)字信號，連接到芯片內(nèi)24比特的數(shù)據(jù)總線上效果選擇數(shù)據(jù)總線部分(共8比特，可供未來選擇256種效果)的低4位、而效果選擇數(shù)據(jù)總線的高4位在芯片外接地置0。芯片內(nèi)的中央處理器11會在中斷處理時，通過效果選擇數(shù)據(jù)總線讀取用戶選定的音響效果，將此信息傳遞給音頻信號濾波算法專用處理器12，使得在對數(shù)字音頻信號進行數(shù)碼效果處理時，能夠選擇相對應(yīng)的預置數(shù)據(jù)。
電可編程只讀存儲器8連接到芯片的控制總線13和24比特的數(shù)據(jù)/地址總線14上的音頻數(shù)字信號數(shù)據(jù)總線部分(共16比特)，中央處理器11通過控制總線13(時鐘信號、地址選擇、芯片選擇、ACK信號、GRANT信號、延遲信號等等)與電可編程只讀存儲器8進行數(shù)據(jù)讀取。電可編程只讀存儲器8內(nèi)部含有供中央處理器11使用的軟件程序。
數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3的功能是將模擬信號轉(zhuǎn)換成16比特的數(shù)字信號，或?qū)?6比特的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，芯片內(nèi)含有存儲緩沖器，可以雙向各儲存4K數(shù)據(jù)。此芯片通過控制總線13(時鐘信號、地址選擇、芯片選擇、ACK信號、GRANT信號、中斷請求及GRANT信號、延遲信號等等)，在模擬信號被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并存儲到一定量后，將向中央處理器11發(fā)出要求進行DMA的中斷請求，在中央處理器11發(fā)出允許信號后，通過控制總線13，向輸出入/存儲控制器15提出要求將數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)存到隨機存儲器16內(nèi)的請求，并在隨機存儲器16直接管理下(包括在隨機存儲器16內(nèi)的地址及其地址遞增)，通過16比特數(shù)據(jù)/地址總線14，一般可以在每一個時鐘內(nèi)，向隨機存儲器16快速輸入16比特的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存完成之后，中央處理器11將再次收到中斷請求，并可以安排進行數(shù)據(jù)處理。
另外要說明的是，在系統(tǒng)的安排上，輸出入/存儲控制器15會根據(jù)中央處理器11在進行通電時對系統(tǒng)所做的初始化，定時向中央處理器11進行中斷請求，以便中央處理器11在軟件的編程應(yīng)用上，具有極大的靈活性。
數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3的另一個功能是接受中央處理器11通過控制總線13(時鐘信號、地址選擇、芯片選擇、ACK信號、GRANT信號、延遲信號等等)，將經(jīng)過數(shù)字信號處理、添加了數(shù)碼效果的數(shù)據(jù)，輸入到數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3內(nèi)部的一個4K存儲器內(nèi)，在時鐘的驅(qū)動下，數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3將這些經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，并清空存儲器。
數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為Reverb和Effect兩路模擬信號輸出，經(jīng)可調(diào)比例混合電路混合后再與前面三段衰減式頻率均衡電路的輸出信號共同混合為同一路信號；最終進入功放級(TDA7240)進行BTL(并聯(lián)推挽式)功率放大并輸出到兩個串聯(lián)的經(jīng)特別設(shè)計的揚聲器上轉(zhuǎn)換為聲音輸出。
在混合信號到功放級之間，還加入了產(chǎn)生延時混響效果的數(shù)字延時電路PT2399，延時時間可從50ms直至350ms連續(xù)可調(diào)，并且效果電平也可調(diào)節(jié)。
PT2399是一塊高性能、低成本的延時專用芯片，內(nèi)部包含了A/D、D/A轉(zhuǎn)換，為44K數(shù)字處理而設(shè)的高采樣率內(nèi)存，VCO控制模式的系統(tǒng)時鐘。這些電路的采用使之具有極低的失真(THD＜0.5％)、極低的噪聲輸出(No＜-90dBV)、簡單方便的系統(tǒng)時鐘調(diào)節(jié)。
電路還具有AUX IN/OUT輔助輸入/輸出功能，可將該機器強大的信號處理連接到其它更大功率的擴音設(shè)備或記錄設(shè)備上以擴展使用，也可以在對吉他輸入信號進行處理的同時添加其它播放設(shè)備插入的音樂信號作為背景音樂，以更好的烘托氣氛。
本發(fā)明中，中央處理器11中使用的軟件程序執(zhí)行流程如下(1)通電開機(芯片10內(nèi)的所有模塊進入默認邏輯狀態(tài))(2)中央處理器11在默認的地址(設(shè)定為只讀存儲器11的第一個指令地址)開始執(zhí)行指令。
(3)中央處理器11關(guān)閉所有中斷請求，并從只讀存儲器11讀取軟件程序，轉(zhuǎn)存到隨機存儲器16的固定程序區(qū)域內(nèi)。
(4)中央處理器11使用jump指令，開始執(zhí)行隨機存儲器16內(nèi)的程序。
(5)中央處理器11將數(shù)碼效果數(shù)據(jù)從只讀存儲器11中讀出，并轉(zhuǎn)存到音頻信號濾波算法專用處理器12的內(nèi)置存儲緩沖器內(nèi)。
(6)中央處理器11初始化芯片內(nèi)的所有邏輯模塊，清除數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3里面的所有內(nèi)容，并根據(jù)程序設(shè)定，重新初始化音頻信號濾波算法專用處理器12和輸出入/存儲控制器15(包括中斷邏輯邏輯電路)。
(7)等待進行中斷請求。
中斷處理流程見圖2所示。
本吉它音響設(shè)備的外殼設(shè)計為扁體形狀，它由前片盒體18、后片盒體19和支撐腳20組成，見圖3所示。其中，前片盒體的上方為控制面板，設(shè)置電源開關(guān)、各種控制旋鈕，下方為網(wǎng)孔狀金屬板，對應(yīng)于內(nèi)部的放音喇叭位置。支撐腳可收攏嵌合于后片盒體的凹槽內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于由前置放大器(1)、頻率濾波器(2)、數(shù)字/模擬信號編碼器(3)、模擬信號后期加工器(4)、(5)，雙通道放大器(6)和(7)、電可編程只讀存儲器(8)、效果編碼選擇器(9)、中央處理器(11)、音頻信號濾波算法專用處理器(12)、控制總線(13)、數(shù)據(jù)總線(14)、輸出入/存儲控制器(15)、隨機存儲器(16)、只讀存儲器(17)經(jīng)電路連接構(gòu)成，其中，中央處理器(11)、音頻信號濾波算法專用處理器(12)、輸出入/存儲控制器(15(、隨機存儲器(16)、只讀存儲器(17)的控制線和數(shù)據(jù)線分別接入控制總線(13)和數(shù)據(jù)總線(14)，并集成于專用芯片(10)；電可編程器只讀存儲器(8)輸出和控制線分別接入輸出入/存儲器(15)，效果編碼選擇器(9)接入控制總線(13)，數(shù)字/模擬信號編碼器(3)的控制線和數(shù)據(jù)線分別接入控制總線(13)和數(shù)據(jù)總線(14)；前置放大器(1)接入頻率濾波器(2)后連接于數(shù)字/模擬信號編碼器(3)的輸入線，編碼器(3)的輸出線分別連接于模擬信號后期加工器(4)和(5)，然后分別連接于雙通道放大電路(6)和(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于頻率濾波器電路(2)之后的信號，被通過一塊運放構(gòu)成的預加重電路對即將進入DSP模塊的信號高頻部分進行提升，然后再輸入有內(nèi)置存儲器的高速數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器(3)，將模擬音頻信號轉(zhuǎn)換成高精度數(shù)字信號后暫時存放在內(nèi)置內(nèi)存里；數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器(3)在內(nèi)置內(nèi)存的數(shù)據(jù)存量達到一定數(shù)值時，通過控制總線(13)，向輸出入/存儲控制器(15)提出直接將這些數(shù)字信號通過數(shù)據(jù)/地址總線(14)存入隨機存儲器(16)的請求，輸出入/存儲控制器(15)在向中央處理器(11)請求中斷處理成功后，將允許此請求，并在這些數(shù)據(jù)在隨機內(nèi)存器(16)內(nèi)的指定區(qū)域內(nèi)完成存儲后，再此向中央處理器(11)請求中斷處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于中央處理器(11)在收到數(shù)據(jù)已經(jīng)被存入隨機存儲器(16)的指定區(qū)域內(nèi)的信息后，向音頻信號濾波算法專用處理器(12)發(fā)出指令，根據(jù)效果編碼選擇器(9)動態(tài)設(shè)定的音響效果選擇編碼，加工處理這些數(shù)據(jù)。在加工處理完畢的數(shù)據(jù)被放入數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器(3)內(nèi)，轉(zhuǎn)換成雙通道模擬信號后輸入模擬信號后期加工器(4)、(5)，以及雙通道放大電路(6)、(7)后，再輸出至揚聲器，完成電信號轉(zhuǎn)換成聲音的過程。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于音頻信號濾波算法專用處理器(12)是一個具有36比特數(shù)學運算功能和內(nèi)置存儲緩沖器的乘法器，它通過控制總線(13)和24比特的數(shù)據(jù)/地址總線(14)與中央處理器(11)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于效果編碼選擇器9是由1個1×5編碼電位器、4個1×4編碼電位器和電子開關(guān)電路組成；編碼器組合起來根據(jù)正面面板上的DSP Preset Group旋鈕的選擇位置而產(chǎn)生不同的預置效果。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于由編碼電位器輸出組成的4比特數(shù)字信號，連接到芯片內(nèi)24比特的數(shù)據(jù)總線上效果選擇數(shù)據(jù)總線部分的低4位，而效果選擇數(shù)據(jù)總線的高4位在芯片外接地置0。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于數(shù)字/模擬信號轉(zhuǎn)換編碼器3將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為Reverb和Effect兩路模擬信號輸出，經(jīng)可調(diào)比例混合電路混合后再與前面三段衰減式頻率均衡電路的輸出信號共同混合為同一路信號；最終進入功放級進行BTL功率放大并輸出到兩個串聯(lián)的經(jīng)特別設(shè)計的揚聲器上轉(zhuǎn)換為聲音輸出。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)碼音響設(shè)備，其特征在于在混合信號到功放級之間，還加入了產(chǎn)生延時混響效果的數(shù)字延時電路PT2399，延時時間從50ms直至350ms連續(xù)可調(diào)，并且效果電平也可調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明為一種數(shù)碼吉它音響設(shè)備。它對吉它電信號進行全數(shù)碼式處理的方式，在性能上取代和超越了目前市場上的吉它音響設(shè)備所使用的傳統(tǒng)模擬電路和機電設(shè)備。它將數(shù)字信號處理器和微機系統(tǒng)集成在一個芯片上(SOC－System On Chip)，芯片的外圍配以模擬信號線路界面；外形為超薄型設(shè)計，開創(chuàng)了便攜式吉它音響的一個時代，給音樂愛好者或旅行中的音樂家，提供了具備專業(yè)水準的便攜設(shè)備。
文檔編號G10H3/00GK1584973SQ20041002506
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月10日
發(fā)明者劉祥德, 李其新, 李祎 申請人:上海超撥實業(yè)有限公司, 超撥音響技術(shù)研發(fā)(上海)有限公司