專利名稱：數碼吉它音響設備的制作方法
技術領域：
本發明屬音響技術領域，具體涉及一種采用SOC方式對電吉它信號進行數碼處理并添加音響效果的吉它音響設備。
背景技術：
傳統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換的方式來取得，這樣的處理必然導致線路設計復雜，音響設備笨重。本發明將完全改變吉它音響笨重和技術陳舊的傳統形象。
發明內容
本發明的目的在于將數字信息技術引入吉它音響領域，用高集成度的數碼技術取代吉它音響中大部分的模擬電路和機電轉換設備，讓吉它音響象筆記本電腦一樣，可以輕松攜帶，又具備比傳統設備有過之而無不及的功能。
本發明根據數字信號處理原理，使用高集成度的數碼技術和將數字化的吉它電信號根據預設程序進行加工處理，再轉換成模擬信號，并經過信號放大處理后輸出。
本發明提出的數碼音響設備，其電路結構由前置放大器1、頻率濾波器2、數字/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、數據總線14、輸出入/存儲控制器15、隨機存儲器16、只讀存儲器17經電路連接構成，其結構框圖見圖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的控制線和數據線分別接入控制總線13和數據總線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，數字/模擬信號編碼器3的控制線和數據線分別接入控制總線13和數據總線14；前置放大器1接入頻率濾波器2后連接于數字/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，然后輸入有內置存儲器的高速數字/模擬信號編碼器3(CODEC)，將模擬音頻信號轉換成高精度數字信號后暫時存放在內置內存里。
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、恰當的控制曲線，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的轉折頻率點為7kHz，然后再輸入有內置存儲器的高速數字/模擬信號轉換編碼器3(CODEC)，將模擬音頻信號轉換成高精度數字信號后暫時存放在內置內存里；數字/模擬信號轉換編碼器3在內置內存的數據存量達到一定數值時，通過控制總線13，向輸出入/存儲控制器提15提出直接將這些數字信號通過數據/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，并在這些數據在隨機內存器16內的指定區域內完成存儲后，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在收到這些數據已經被存入隨機存儲器16的指定區域內的信息后，向音頻信號濾波算法專用處理器12發出指令，根據效果編碼選擇器9動態設定的音響效果選擇編碼，加工處理這些數據。在加工處理完畢的數據被放入數字/模擬信號轉換編碼器3內，轉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會根據只讀存儲器17內的程序，對系統進行初始化(包括隨機存儲器16內部區域的劃分、輸出入/存儲控制器15和數字/模擬信號編碼器3的初始化)，并從電可編程只讀存儲器8內取出預設的用來加工和生成特定音響效果的數據，通過輸出入/存儲控制器15的控制經由控制總線13、數據/地址總線14，存到隨機存儲器16內，以便在處理數字信號時快速讀取和使用。
本發明中，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、數據/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(SOC)。
由于本發明引入了數字信息技術，使吉它的結構發生了革命性變化，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水準便攜音響設備。
圖1為本發明的電路結構框圖。
圖2為本發請求中斷處理流程框圖。
圖3為本發明外形結構圖示。
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為數字/模擬信號轉換編碼器，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為數據/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為本音響設備前片盒體，19為本音響設備后片盒體，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、數據/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字/模擬信號轉換編碼器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比特數學運算功能和內置存儲緩沖器的乘法器，在設計上著重于對數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比特的數據/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電路組成；編碼器組合起來根據正面面板上的DSP Preset Group旋鈕的選擇位置而產生不同的預置效果。其中1111、1110、1101、1100分別代表用戶已經選擇了第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比特數字信號，連接到芯片內24比特的數據總線上效果選擇數據總線部分(共8比特，可供未來選擇256種效果)的低4位、而效果選擇數據總線的高4位在芯片外接地置0。芯片內的中央處理器11會在中斷處理時，通過效果選擇數據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，使得在對數字音頻信號進行數碼效果處理時，能夠選擇相對應的預置數據。
電可編程只讀存儲器8連接到芯片的控制總線13和24比特的數據/地址總線14上的音頻數字信號數據總線部分(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進行數據讀取。電可編程只讀存儲器8內部含有供中央處理器11使用的軟件程序。
數字/模擬信號轉換編碼器3的功能是將模擬信號轉換成16比特的數字信號，或將16比特的數字信號轉換成模擬信號，芯片內含有存儲緩沖器，可以雙向各儲存4K數據。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)，在模擬信號被轉換成數字信號并存儲到一定量后，將向中央處理器11發出要求進行DMA的中斷請求，在中央處理器11發出允許信號后，通過控制總線13，向輸出入/存儲控制器15提出要求將數據直接轉存到隨機存儲器16內的請求，并在隨機存儲器16直接管理下(包括在隨機存儲器16內的地址及其地址遞增)，通過16比特數據/地址總線14，一般可以在每一個時鐘內，向隨機存儲器16快速輸入16比特的數據。在數據轉存完成之后，中央處理器11將再次收到中斷請求，并可以安排進行數據處理。
另外要說明的是，在系統的安排上，輸出入/存儲控制器15會根據中央處理器11在進行通電時對系統所做的初始化，定時向中央處理器11進行中斷請求，以便中央處理器11在軟件的編程應用上，具有極大的靈活性。
數字/模擬信號轉換編碼器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)，將經過數字信號處理、添加了數碼效果的數據，輸入到數字/模擬信號轉換編碼器3內部的一個4K存儲器內，在時鐘的驅動下，數字/模擬信號轉換編碼器3將這些經過處理的數據轉換成模擬信號輸出，并清空存儲器。
數字/模擬信號轉換編碼器3將數字信號轉換為Reverb和Effect兩路模擬信號輸出，經可調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(并聯推挽式)功率放大并輸出到兩個串聯的經特別設計的揚聲器上轉換為聲音輸出。
在混合信號到功放級之間，還加入了產生延時混響效果的數字延時電路PT2399，延時時間可從50ms直至350ms連續可調，并且效果電平也可調節。
PT2399是一塊高性能、低成本的延時專用芯片，內部包含了A/D、D/A轉換，為44K數字處理而設的高采樣率內存，VCO控制模式的系統時鐘。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)、簡單方便的系統時鐘調節。
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備或記錄設備上以擴展使用，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備插入的音樂信號作為背景音樂，以更好的烘托氣氛。
本發明中，中央處理器11中使用的軟件程序執行流程如下(1)通電開機(芯片10內的所有模塊進入默認邏輯狀態)(2)中央處理器11在默認的地址(設定為只讀存儲器11的第一個指令地址)開始執行指令。
(3)中央處理器11關閉所有中斷請求，并從只讀存儲器11讀取軟件程序，轉存到隨機存儲器16的固定程序區域內。
(4)中央處理器11使用jump指令，開始執行隨機存儲器16內的程序。
(5)中央處理器11將數碼效果數據從只讀存儲器11中讀出，并轉存到音頻信號濾波算法專用處理器12的內置存儲緩沖器內。
(6)中央處理器11初始化芯片內的所有邏輯模塊，清除數字/模擬信號轉換編碼器3里面的所有內容，并根據程序設定，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。
本吉它音響設備的外殼設計為扁體形狀，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，設置電源開關、各種控制旋鈕，下方為網孔狀金屬板，對應于內部的放音喇叭位置。支撐腳可收攏嵌合于后片盒體的凹槽內。
權利要求
1.一種數碼音響設備，其特征在于由前置放大器(1)、頻率濾波器(2)、數字/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)、數據總線(14)、輸出入/存儲控制器(15)、隨機存儲器(16)、只讀存儲器(17)經電路連接構成，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)的控制線和數據線分別接入控制總線(13)和數據總線(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)，數字/模擬信號編碼器(3)的控制線和數據線分別接入控制總線(13)和數據總線(14)；前置放大器(1)接入頻率濾波器(2)后連接于數字/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.根據權利要求1所述的數碼音響設備，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，然后再輸入有內置存儲器的高速數字/模擬信號轉換編碼器(3)，將模擬音頻信號轉換成高精度數字信號后暫時存放在內置內存里；數字/模擬信號轉換編碼器(3)在內置內存的數據存量達到一定數值時，通過控制總線(13)，向輸出入/存儲控制器(15)提出直接將這些數字信號通過數據/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，并在這些數據在隨機內存器(16)內的指定區域內完成存儲后，再此向中央處理器(11)請求中斷處理。
3.根據權利要求2所述的數碼音響設備，其特征在于中央處理器(11)在收到數據已經被存入隨機存儲器(16)的指定區域內的信息后，向音頻信號濾波算法專用處理器(12)發出指令，根據效果編碼選擇器(9)動態設定的音響效果選擇編碼，加工處理這些數據。在加工處理完畢的數據被放入數字/模擬信號轉換編碼器(3)內，轉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，完成電信號轉換成聲音的過程。
4.根據權利要求1所述的數碼音響設備，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比特數學運算功能和內置存儲緩沖器的乘法器，它通過控制總線(13)和24比特的數據/地址總線(14)與中央處理器(11)連接。
5.根據權利要求1所述的數碼音響設備，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電路組成；編碼器組合起來根據正面面板上的DSP Preset Group旋鈕的選擇位置而產生不同的預置效果。
6.根據權利要求1所述的數碼音響設備，其特征在于由編碼電位器輸出組成的4比特數字信號，連接到芯片內24比特的數據總線上效果選擇數據總線部分的低4位，而效果選擇數據總線的高4位在芯片外接地置0。
7.根據權利要求2所述的數碼音響設備，其特征在于數字/模擬信號轉換編碼器3將數字信號轉換為Reverb和Effect兩路模擬信號輸出，經可調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的經特別設計的揚聲器上轉換為聲音輸出。
8.根據權利要求1所述的數碼音響設備，其特征在于在混合信號到功放級之間，還加入了產生延時混響效果的數字延時電路PT2399，延時時間從50ms直至350ms連續可調，并且效果電平也可調節。
全文摘要
本發明為一種數碼吉它音響設備。它對吉它電信號進行全數碼式處理的方式，在性能上取代和超越了目前市場上的吉它音響設備所使用的傳統模擬電路和機電設備。它將數字信號處理器和微機系統集成在一個芯片上(SOC－System On Chip)，芯片的外圍配以模擬信號線路界面；外形為超薄型設計，開創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，提供了具備專業水準的便攜設備。
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 優先權日2004年6月10日
發明者劉祥德, 李其新, 李祎 申請人:上海超撥實業有限公司, 超撥音響技術研發(上海)有限公司