Products: LabVIEW, Academic Products The Challenge: 各種音效算法（如：虛擬環繞聲、混響、均衡……）的實現與分析是高校數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開發板上通過C、匯編等軟件編程實現則工作量巨大，且程序運行過程中音效器參數無法實時調整，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平臺成為一大挑戰。 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硬件開發模塊上實現，最后在程序運行過程中實時調整各個參數完成對音效器的分析測試。 一、引言 我們現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硬件開發模塊上逐一構建，然后調整音效器的相關參數，測試其效果并給出具體分析。 二、音效器開發平臺與測試環境 1．音效器開發平臺： NI SPEEDY-33實際上是一塊DSP開發板，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，這對于實現一般的音效算法來說速度足夠快了。開發板上自帶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，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。在選擇音效器開發平臺的時候，也曾考慮了使用傳統開發模式，即：使用C、匯編語言在DSK板上（如：TI C6713 DSK）開發各種音效器。但相對于本文采用的模式，編程工作量大、開發周期長、人機交互性差。 2．測試環境： 我將CD機輸出的立體聲模擬信號由SPEEDY-33的A/D模塊轉換為數字信號（采樣率：48KHz，精度：16-bit），經DSP進行數字音效處理后由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。整個測試平臺與環境參見圖1： [align=center] 圖1 測試平臺與測試環境[/align] 三、音效器的構建與測試 1．虛擬環繞聲效果器（Virtual Surround Effector）： 虛擬環繞的英文是Virtual Surround，人們把這種技術稱為非標準環繞聲技術。非標準環繞聲系統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。非標準環繞聲有多種算法可以實現，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，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，再現了原聲源中的方位和空間分布，使人有身臨其境的感覺。 （1）本系統采用的是Modified SRS算法，其實現框圖見圖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： 我們在音響系統中使用SRS虛擬環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，虛擬環繞聲對聽音位置要求較高，因此將SRS虛擬環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，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”；但若效果器系數選擇不當，比如系數b過大（延遲聲成分過多）會使聲音變得含混，細節丟失。 （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）： 均衡器是音響系統中常用的音效器，有些系統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，若數字濾波器的類型、參數使用不當，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（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”。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，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，這套系統作為數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。