Products: LabVIEW, Academic Products The Challenge: 各種音效算法（如：虛擬環(huán)繞聲、混響、均衡……）的實現(xiàn)與分析是高校數(shù)字音頻信號處理等課程中必然講授的內容。若只通過理論分析而不能在硬件平臺上構建各種音效器，然后實際試聽，學生沒有直觀感受，教學效果不理想；若在一般的DSP開發(fā)板上通過C、匯編等軟件編程實現(xiàn)則工作量巨大，且程序運行過程中音效器參數(shù)無法實時調整，做定量分析與比對時也很不方便。因此，需要一個可以快速、靈活地構建各種音效算法的開發(fā)平臺成為一大挑戰(zhàn)。 The Solution: 采用LabVIEW圖形化編程快速構建各種音效器，然后將音效算法程序下載到NI公司SPEEDY-33 DSP硬件開發(fā)模塊上實現(xiàn)，最后在程序運行過程中實時調整各個參數(shù)完成對音效器的分析測試。 一、引言 我們現(xiàn)在使用的各種音響設備（如：家用組合音響、MP3播放器、MD機......）為了提高聲音播放質量、實現(xiàn)各種聲音效果，都在設備內部通過軟件編程或硬件模塊的形式加入了各種音效器。本文對音響設備中常用的幾種音效器在SPEEDY-33 DSP硬件開發(fā)模塊上逐一構建，然后調整音效器的相關參數(shù)，測試其效果并給出具體分析。 二、音效器開發(fā)平臺與測試環(huán)境 1．音效器開發(fā)平臺： NI SPEEDY-33實際上是一塊DSP開發(fā)板，CPU采用的是TI TMS320VC33-150芯片，該DSP是一顆32位浮點處理器，具有150MFLOPS（75MIPS）處理能力，這對于實現(xiàn)一般的音效算法來說速度足夠快了。開發(fā)板上自帶A/D與D/A模塊，這兩個模塊都能夠對雙聲道信號同時進行處理，量化精度為16位，轉換速度最高為48KSPS。由此可見，SPEEDY-33非常適合做立體聲音頻信號的處理，其音質理論上可以達到CD音質水平。各種音效算法由LabVIEW編程實現(xiàn)后下載到SPEEDY-33上運行；然后通過LabVIEW程序前面板（Front Panel）實時調整音效器的各個參數(shù)，觀察音頻信號的時域、頻域波形的改變，同時利用耳機或音箱聽取聲音的變化。在選擇音效器開發(fā)平臺的時候，也曾考慮了使用傳統(tǒng)開發(fā)模式，即：使用C、匯編語言在DSK板上（如：TI C6713 DSK）開發(fā)各種音效器。但相對于本文采用的模式，編程工作量大、開發(fā)周期長、人機交互性差。 2．測試環(huán)境： 我將CD機輸出的立體聲模擬信號由SPEEDY-33的A/D模塊轉換為數(shù)字信號（采樣率：48KHz，精度：16-bit），經DSP進行數(shù)字音效處理后由D/A模塊輸出，然后經過功率放大后由音箱或耳機播放。功放單元采用的是YAMAHA RX-350，額定功率90W/聲道，測試時采用直通模式（Bypass），即聲音信號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分頻設計。測試環(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。耳機采用SONY MDR-V300半封閉式立體聲耳機。整個測試平臺與環(huán)境參見圖1： [align=center] 圖1 測試平臺與測試環(huán)境[/align] 三、音效器的構建與測試 1．虛擬環(huán)繞聲效果器（Virtual Surround Effector）： 虛擬環(huán)繞的英文是Virtual Surround，人們把這種技術稱為非標準環(huán)繞聲技術。非標準環(huán)繞聲系統(tǒng)是在雙聲道立體聲的基礎上，不增加聲道和音箱，把聲場信號通過電路處理后播出，使聆聽者感到聲音來自多個方位，產生仿真的立體聲場。非標準環(huán)繞聲有多種算法可以實現(xiàn)，這里采用的是使用比較普遍的SRS算法。 SRS（Sound Retrieval System）不是從研究硬件營造三維聲場入手，而是從聽覺心理學出發(fā)，模擬出一個三維聲場，使聽音者覺得置身于三維聲場之中。實際上，這種“三維聲場”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，都是通過技術手段將兩維平面物體轉化為三維空間物像。SRS在心理上和主觀感覺上恢復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。 （1）本系統(tǒng)采用的是Modified SRS算法，其實現(xiàn)框圖見圖2： [align=center] 圖2 Modified SRS算法框圖[/align] （2）測試結果及分析： 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音樂片斷經L-R、L+R處理后時域和頻域的波形。 [align=center] 圖3 L-R與L+R信號的時域和頻域波形[/align] 由圖3中可以看到：L+R信號比L-R信號具有更大的幅度與能量；L-R信號的能量在頻譜中更分散，而L+R信號的能量相對更集中在低頻與中頻頻段，這與實際試聽結果是一致的。 （3）結論： 我們在音響系統(tǒng)中使用SRS虛擬環(huán)繞聲效果器可以使聲場變得更寬，空間感增強；同時增加音樂的包圍感與臨場感――使我們仿佛置身于音樂廳等演出現(xiàn)場。但是，SRS也有負面的效果：它會使音樂的方位感與層次感（如：交響樂和合唱音樂中各個樂器、聲部的方位與層次關系）變差；另外，虛擬環(huán)繞聲對聽音位置要求較高，因此將SRS虛擬環(huán)繞技術應用到耳機上是不錯的選擇。 2．混響器（Reverberation）： 混響器有很多種方法可以實現(xiàn)，但其基本單元都是將聲音延遲一段時間后與直達聲相疊加，下面采用的是一種相對比較簡單的混響算法。 （1）混響器算法框圖： [align=center] 圖4 混響器算法框圖[/align] （2）測試結果及分析： [align=center] 圖5 原始信號與加入混響后信號頻譜[/align] 圖5是同一音樂片斷原始信號的頻譜（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。這與我們實際試聽結果是一致的。即：加入混響后聲音變得更“豐滿”、更“潤”，同時，低頻部分變得更“厚重”；但若效果器系數(shù)選擇不當，比如系數(shù)b過大（延遲聲成分過多）會使聲音變得含混，細節(jié)丟失。 （3） 結論： 混響對音效起著重要的作用，適當加入一些混響，會對聲音起到修飾作用，使得聲音聽起來更加動聽。也正因為如此，我們購買的各種音樂CD、磁帶，在前期錄音過程中，制作人員都要加入一定的混響。同時音箱之類的放音設備與聽音環(huán)境中的墻壁、天花板都會給播放的聲音信號增加一些混響，因此我們的家用音響播放設備中一般不再單獨設置混響效果器（卡拉OK設備除外）。 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)中的均衡器做成獨立的圖示均衡器模塊，有些手持設備（如：隨身聽、MP3）的均衡器作“Jazz”,“Pop”,“Rock”等多種音效選擇開關，但其本質都是一個可調增益濾波器組。 （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）是一個低通濾波器，H2（n）、H3（n）、H4（n）是3個帶通濾波器，H5（n）是一個高通濾波器。我們調整它們各自的增益系數(shù)G1～G5，就能調整相應頻段的聲音，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）結論： 使用均衡器能夠明顯的改變聲音效果，如：增加音樂的低音成分或高音成分。但是這種改變沒有通過提升放音設備（音箱、耳機）的性能得到的效果真實、自然。另外，若數(shù)字濾波器的類型、參數(shù)使用不當，有可能引入音頻信號的相位失真或諧波失真，這些都會影響音質。 4．綜合應用： 將上文提到的各種音效器程序封裝成一個個SubVI，再加上音量調節(jié)（Volume）與左右聲道均衡（Balance）模塊，就可以在SPEEDY-33平臺上構建出一個綜合的音效調節(jié)器，這可以讓我們測試多種音效器共同使用時的效果。我們對程序的人機交互界面（Front Panel）加以美工處理，可以使之看上去更象是一個“音響系統(tǒng)”。參加圖8： [align=center] 圖8 綜合音效器程序人機交互界面（Front Panel）[/align] 四、總結 利用LabVIEW圖形化編程軟件與SPEEDY-33硬件模塊，我們快速實現(xiàn)了各種音效算法，搭建各種音效器。這比使用C、匯編等編程語言的難度與工作量低許多。利用這個系統(tǒng)，我們讓學生將主要精力集中在算法研究上，因此在花費同樣的時間與精力的情況下，學生能夠搭建出更復雜，性能更優(yōu)越的音效器。另外，LabVIEW軟件的人機交互性能很強，我們無需另外編寫上位機程序，使用前面板控件就可以搭建出美觀實用的交互界面。通過這個界面，我們可以在程序運行過程中實時改變各種參數(shù)以取得不同效果進行比較，同時也可以很方便地對音頻信號的時域和頻域波形進行觀察分析。綜上所述，這套系統(tǒng)作為數(shù)字音頻信號處理實驗研究平臺是十分靈活方便且功能強大的。由于篇幅限制，本文有所刪節(jié)。