Products: LabVIEW, Academic Products The Challenge: 各種音效算法（如：虛擬環(huán)繞聲、混響、均衡……）的實(shí)現(xiàn)與分析是高校數(shù)字音頻信號(hào)處理等課程中必然講授的內(nèi)容。若只通過(guò)理論分析而不能在硬件平臺(tái)上構(gòu)建各種音效器，然后實(shí)際試聽，學(xué)生沒(méi)有直觀感受，教學(xué)效果不理想；若在一般的DSP開發(fā)板上通過(guò)C、匯編等軟件編程實(shí)現(xiàn)則工作量巨大，且程序運(yùn)行過(guò)程中音效器參數(shù)無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整，做定量分析與比對(duì)時(shí)也很不方便。因此，需要一個(gè)可以快速、靈活地構(gòu)建各種音效算法的開發(fā)平臺(tái)成為一大挑戰(zhàn)。 The Solution: 采用LabVIEW圖形化編程快速構(gòu)建各種音效器，然后將音效算法程序下載到NI公司SPEEDY-33 DSP硬件開發(fā)模塊上實(shí)現(xiàn)，最后在程序運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整各個(gè)參數(shù)完成對(duì)音效器的分析測(cè)試。 一、引言 我們現(xiàn)在使用的各種音響設(shè)備（如：家用組合音響、MP3播放器、MD機(jī)......）為了提高聲音播放質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)各種聲音效果，都在設(shè)備內(nèi)部通過(guò)軟件編程或硬件模塊的形式加入了各種音效器。本文對(duì)音響設(shè)備中常用的幾種音效器在SPEEDY-33 DSP硬件開發(fā)模塊上逐一構(gòu)建，然后調(diào)整音效器的相關(guān)參數(shù)，測(cè)試其效果并給出具體分析。 二、音效器開發(fā)平臺(tái)與測(cè)試環(huán)境 1．音效器開發(fā)平臺(tái)： NI SPEEDY-33實(shí)際上是一塊DSP開發(fā)板，CPU采用的是TI TMS320VC33-150芯片，該DSP是一顆32位浮點(diǎn)處理器，具有150MFLOPS（75MIPS）處理能力，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)一般的音效算法來(lái)說(shuō)速度足夠快了。開發(fā)板上自帶A/D與D/A模塊，這兩個(gè)模塊都能夠?qū)﹄p聲道信號(hào)同時(shí)進(jìn)行處理，量化精度為16位，轉(zhuǎn)換速度最高為48KSPS。由此可見，SPEEDY-33非常適合做立體聲音頻信號(hào)的處理，其音質(zhì)理論上可以達(dá)到CD音質(zhì)水平。各種音效算法由LabVIEW編程實(shí)現(xiàn)后下載到SPEEDY-33上運(yùn)行；然后通過(guò)LabVIEW程序前面板（Front Panel）實(shí)時(shí)調(diào)整音效器的各個(gè)參數(shù)，觀察音頻信號(hào)的時(shí)域、頻域波形的改變，同時(shí)利用耳機(jī)或音箱聽取聲音的變化。在選擇音效器開發(fā)平臺(tái)的時(shí)候，也曾考慮了使用傳統(tǒng)開發(fā)模式，即：使用C、匯編語(yǔ)言在DSK板上（如：TI C6713 DSK）開發(fā)各種音效器。但相對(duì)于本文采用的模式，編程工作量大、開發(fā)周期長(zhǎng)、人機(jī)交互性差。 2．測(cè)試環(huán)境： 我將CD機(jī)輸出的立體聲模擬信號(hào)由SPEEDY-33的A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)（采樣率：48KHz，精度：16-bit），經(jīng)DSP進(jìn)行數(shù)字音效處理后由D/A模塊輸出，然后經(jīng)過(guò)功率放大后由音箱或耳機(jī)播放。功放單元采用的是YAMAHA RX-350，額定功率90W/聲道，測(cè)試時(shí)采用直通模式（Bypass），即聲音信號(hào)在功放單元不再做任何效果處理。音箱采用的是PIONEER CS-222Z，最大功率60W/聲道，2分頻設(shè)計(jì)。測(cè)試環(huán)境中左、右音箱間隔1.8米，聽音位置位于兩音箱正中、垂直距離兩音箱連線2米處。耳機(jī)采用SONY MDR-V300半封閉式立體聲耳機(jī)。整個(gè)測(cè)試平臺(tái)與環(huán)境參見圖1： [align=center] 圖1 測(cè)試平臺(tái)與測(cè)試環(huán)境[/align] 三、音效器的構(gòu)建與測(cè)試 1．虛擬環(huán)繞聲效果器（Virtual Surround Effector）： 虛擬環(huán)繞的英文是Virtual Surround，人們把這種技術(shù)稱為非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)繞聲技術(shù)。非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)繞聲系統(tǒng)是在雙聲道立體聲的基礎(chǔ)上，不增加聲道和音箱，把聲場(chǎng)信號(hào)通過(guò)電路處理后播出，使聆聽者感到聲音來(lái)自多個(gè)方位，產(chǎn)生仿真的立體聲場(chǎng)。非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)繞聲有多種算法可以實(shí)現(xiàn)，這里采用的是使用比較普遍的SRS算法。 SRS（Sound Retrieval System）不是從研究硬件營(yíng)造三維聲場(chǎng)入手，而是從聽覺(jué)心理學(xué)出發(fā)，模擬出一個(gè)三維聲場(chǎng)，使聽音者覺(jué)得置身于三維聲場(chǎng)之中。實(shí)際上，這種“三維聲場(chǎng)”是不存在的，它只是一種幻象，就如同我們看到的立體電影、立體畫片，都是通過(guò)技術(shù)手段將兩維平面物體轉(zhuǎn)化為三維空間物像。SRS在心理上和主觀感覺(jué)上恢復(fù)了原聲源在兩耳處造成的聲波狀態(tài)，再現(xiàn)了原聲源中的方位和空間分布，使人有身臨其境的感覺(jué)。 （1）本系統(tǒng)采用的是Modified SRS算法，其實(shí)現(xiàn)框圖見圖2： [align=center] 圖2 Modified SRS算法框圖[/align] （2）測(cè)試結(jié)果及分析： 效果器中起作用的單元是L-R與L+R單元，我們先看一下同一個(gè)音樂(lè)片斷經(jīng)L-R、L+R處理后時(shí)域和頻域的波形。 [align=center] 圖3 L-R與L+R信號(hào)的時(shí)域和頻域波形[/align] 由圖3中可以看到：L+R信號(hào)比L-R信號(hào)具有更大的幅度與能量；L-R信號(hào)的能量在頻譜中更分散，而L+R信號(hào)的能量相對(duì)更集中在低頻與中頻頻段，這與實(shí)際試聽結(jié)果是一致的。 （3）結(jié)論： 我們?cè)谝繇懴到y(tǒng)中使用SRS虛擬環(huán)繞聲效果器可以使聲場(chǎng)變得更寬，空間感增強(qiáng)；同時(shí)增加音樂(lè)的包圍感與臨場(chǎng)感――使我們仿佛置身于音樂(lè)廳等演出現(xiàn)場(chǎng)。但是，SRS也有負(fù)面的效果：它會(huì)使音樂(lè)的方位感與層次感（如：交響樂(lè)和合唱音樂(lè)中各個(gè)樂(lè)器、聲部的方位與層次關(guān)系）變差；另外，虛擬環(huán)繞聲對(duì)聽音位置要求較高，因此將SRS虛擬環(huán)繞技術(shù)應(yīng)用到耳機(jī)上是不錯(cuò)的選擇。 2．混響器（Reverberation）： 混響器有很多種方法可以實(shí)現(xiàn)，但其基本單元都是將聲音延遲一段時(shí)間后與直達(dá)聲相疊加，下面采用的是一種相對(duì)比較簡(jiǎn)單的混響算法。 （1）混響器算法框圖： [align=center] 圖4 混響器算法框圖[/align] （2）測(cè)試結(jié)果及分析： [align=center] 圖5 原始信號(hào)與加入混響后信號(hào)頻譜[/align] 圖5是同一音樂(lè)片斷原始信號(hào)的頻譜（左）與加入混響后的頻譜（右）。從圖5中我們可以清晰的看到：加入混響后信號(hào)的頻譜成分變得豐富了，并且低頻部分得到了提升。這與我們實(shí)際試聽結(jié)果是一致的。即：加入混響后聲音變得更“豐滿”、更“潤(rùn)”，同時(shí)，低頻部分變得更“厚重”；但若效果器系數(shù)選擇不當(dāng)，比如系數(shù)b過(guò)大（延遲聲成分過(guò)多）會(huì)使聲音變得含混，細(xì)節(jié)丟失。 （3） 結(jié)論： 混響對(duì)音效起著重要的作用，適當(dāng)加入一些混響，會(huì)對(duì)聲音起到修飾作用，使得聲音聽起來(lái)更加動(dòng)聽。也正因?yàn)槿绱耍覀冑?gòu)買的各種音樂(lè)CD、磁帶，在前期錄音過(guò)程中，制作人員都要加入一定的混響。同時(shí)音箱之類的放音設(shè)備與聽音環(huán)境中的墻壁、天花板都會(huì)給播放的聲音信號(hào)增加一些混響，因此我們的家用音響播放設(shè)備中一般不再單獨(dú)設(shè)置混響效果器（卡拉OK設(shè)備除外）。 3. 5段圖示均衡器（5-Band Graphic Equalizer）： 均衡器是音響系統(tǒng)中常用的音效器，有些系統(tǒng)中的均衡器做成獨(dú)立的圖示均衡器模塊，有些手持設(shè)備（如：隨身聽、MP3）的均衡器作“Jazz”,“Pop”,“Rock”等多種音效選擇開關(guān)，但其本質(zhì)都是一個(gè)可調(diào)增益濾波器組。 （1）均衡器原理： [align=center] 圖6 5段均衡器的算法模型[/align] 其中H1（n）是一個(gè)低通濾波器，H2（n）、H3（n）、H4（n）是3個(gè)帶通濾波器，H5（n）是一個(gè)高通濾波器。我們調(diào)整它們各自的增益系數(shù)G1～G5，就能調(diào)整相應(yīng)頻段的聲音，從而得到我們需要的效果。均衡器幅頻特性示意曲線參見圖7： [align=center] 圖7 5段均衡器幅頻特性示意曲線[/align] （2）結(jié)論： 使用均衡器能夠明顯的改變聲音效果，如：增加音樂(lè)的低音成分或高音成分。但是這種改變沒(méi)有通過(guò)提升放音設(shè)備（音箱、耳機(jī)）的性能得到的效果真實(shí)、自然。另外，若數(shù)字濾波器的類型、參數(shù)使用不當(dāng)，有可能引入音頻信號(hào)的相位失真或諧波失真，這些都會(huì)影響音質(zhì)。 4．綜合應(yīng)用： 將上文提到的各種音效器程序封裝成一個(gè)個(gè)SubVI，再加上音量調(diào)節(jié)（Volume）與左右聲道均衡（Balance）模塊，就可以在SPEEDY-33平臺(tái)上構(gòu)建出一個(gè)綜合的音效調(diào)節(jié)器，這可以讓我們測(cè)試多種音效器共同使用時(shí)的效果。我們對(duì)程序的人機(jī)交互界面（Front Panel）加以美工處理，可以使之看上去更象是一個(gè)“音響系統(tǒng)”。參加圖8： [align=center] 圖8 綜合音效器程序人機(jī)交互界面（Front Panel）[/align] 四、總結(jié) 利用LabVIEW圖形化編程軟件與SPEEDY-33硬件模塊，我們快速實(shí)現(xiàn)了各種音效算法，搭建各種音效器。這比使用C、匯編等編程語(yǔ)言的難度與工作量低許多。利用這個(gè)系統(tǒng)，我們讓學(xué)生將主要精力集中在算法研究上，因此在花費(fèi)同樣的時(shí)間與精力的情況下，學(xué)生能夠搭建出更復(fù)雜，性能更優(yōu)越的音效器。另外，LabVIEW軟件的人機(jī)交互性能很強(qiáng)，我們無(wú)需另外編寫上位機(jī)程序，使用前面板控件就可以搭建出美觀實(shí)用的交互界面。通過(guò)這個(gè)界面，我們可以在程序運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)改變各種參數(shù)以取得不同效果進(jìn)行比較，同時(shí)也可以很方便地對(duì)音頻信號(hào)的時(shí)域和頻域波形進(jìn)行觀察分析。綜上所述，這套系統(tǒng)作為數(shù)字音頻信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)是十分靈活方便且功能強(qiáng)大的。由于篇幅限制，本文有所刪節(jié)。