音频数字音效器的算法.pdf

2 0 0 8年 第3 2卷 第5期电声技术 图2 A R M系统软件流程图 开始 初始化各端口 A D转换 根据单片机传递的参数 调用不同音效处理程序 D A转换 文章编号 1 0 0 2 8 6 8 4 2 0 0 8 0 5 0 0 6 2 0 4 音频数字音效器的算法 林志琦 逄林 刘涛 长春工业大学 电气与电子工程学院 吉林 长春1 3 0 0 1 2 摘 要 设计了以A R M S 3 C 4 4 B 0 X为核心处理器的数字音效处理系统 研究了数字失真类音效算法的建模和实 现 从硬件设计方面着手进行了具体系统设计 对A m p l i f y音效 介绍了基于自适应滤波器系统辨识方法建立线性 失真音效数学模型的方法 在软件设计中 介绍了音频信号延时 混响 压缩 均衡 失真等效果的设计处理 关键词 效果器 A R M 7 音效 中图分类号 T N 9 1 2 文献标识码 A A l g o r i t h m f o rD i g i t a l A u d i oE f f e c t sG e n e r a t o r L I NZ h i q i P A N GL i n L I UT a o S c h o o l o f E l e c t r i ca n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g C h a n g c h u nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2 C h i n a A b s t r a c t U s i n gR A M S 3 C 4 4 B 0 X a st h ec e n t r a lp a r to ft h ep r o c e s s o r a na u d i oe f f e c t sp r o c e s s i n gs y s t e m i s p r o p o s e d T h eh a r d w a r ed e s i g ni sc o m p a r e da n da n a l y z e d a n dt h em o d e lo fa m p l i f i e se f f e c ti st a k e na sa n e x a m p l ef o rm o d e l i n go fl i n e a rd i s t o r t i o ne f f e c t su s i n ga d a p t i v ef i l t e r T h es o f t w a r ed e s i g n st oi m p l e m e n td e l a y r e v e r b c o m p r e s s o r e q u a l i z e r a n dd i s t o r t i o ne f f e c t sa r ei n t r o d u c e d K e yw o r d s e f f e c t s g e n e r a t o r A R M 7 e f f e c t 论文 1引言 效果器能给音色施加效果 影响 e f f e c t 许多乐 器 合唱等都可使用 可以说效果器在音乐的构成中已 必不可少 目前广泛应用在电子乐器 高级组合音响 数字音频工作站等领域 基于A R M的电吉他效果器结构框图如图1所示 效果器的工作原理为音频信号 如 电吉他的单声道 声音信号是1 5 0m V的电信号 经过高精度高速A D C 转换后得到一串数字信号 分帧输入到波形输入缓冲 区R A M 然后由手动控制一种或几种处理算法将音 频信号调入S 3 C 4 4 B 0 X的内部进行高速运算 经过处 理的音频信号 再输入到高精度高速的D A C转换器 中 还原成模拟的声音信号 经音箱功率放大电路放 大输出 1 2音效算法的A R M实现 系统中A R M编程的主要任务是完成各种音频信 号的算法处理 若完全采用汇编语言进行编程 比较麻 烦 而C语言以其灵活性和易移植性已广泛应用在开 发系统中 对于更复杂的系统更是如此 笔者采用C 语言编程 系统软件流程图如图2所示 2 3 2 1 A mp l i f y音效的实现 使用自适应滤波器建模 当L M S算法收敛后 未 图1基于A R M的电吉他效果器的结构框图 键盘 L E D显示 音频输入D A C A R M S 3 C 4 4 B 0 X A D C音频输出 外部数据 存储区S R A M 程序存储 F L A S H R O M Di g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g 数字信号处理 2 0 0 8年 第3 2卷 第5期 电声技术 图7镶边效果产生的原理图 延时 输入 延时1 延时2 延时3 延时4 输入 图6单声信号模拟立体声信号原理图 知系统等效为一个8阶I I R滤波器 因此A m p l i f y音效 在A R M上的实现可归结为这个8阶I I R数字滤波器 的实现 根据信号与系统的知识可知 该滤波器可用8 阶差分方程表示 y n 7 j 0 a jx n l 7 j 1 b jy n l 1 其中 a j 和b j 分别为I I R结构的L M S算法收敛后的I I R 滤波器分子和分母的系数 x n l 和 y n l 分别为l个 单位时间以前的输入和输出 滤波器当前时刻的输出不仅与当前时刻的输入有 关 还与过去时刻的输入和输出有关 该滤波器的实现 可进一步归结为延时线的实现 延时线的功能就是使 数据延时一固定时间t后输出 也就是说现在输入的 数据要t时间后才能输出 而现在输出的数据实际上 是t时间以前的 根据延时线的功能描述 可通过在内 存中定义一块大小固定的环形缓冲区来实现 这个环 形缓冲区只需要一个读 写复用的地址指针 在每次对 延时线进行操作的时候 读 写指针先从当前的地址单 元读出t时间以前的数据 然后再将现在的数据写入 该单元 最后更新读 写指针 让地址自增1 延时线实 现原理如图3所示 对于A m p l i f y音效而言 要建立2个长度为8的环 形缓冲区分别作为输入数据x n 和输出数据y n 的 缓冲区 另外 还需要2个长度为8的缓冲区分别来存 储系数b n 和 a n 内存数据结构如图4所示 A R M的地址寄存器R 0 R 2 R 4和R5分别指向I I R 滤波器分子系数 分母系数 y n 环形缓存和x n 环形 缓存 且其相应的模式寄存器M 0 M 1 M 4 M 5均设为7 当地址指针指向缓冲区的最后一个单元时 如果再加 1 指针就会跳回到缓冲区的首单元 2 2延时音效的实现 4 5 延时处理是现代音响系统中一种常见的处理方法 延时效果分为基本延时和由不同量的延时与直接信号 混合而产生出的镶边效果 合唱效果 共振效果等 音 响系统中的延时器在音效调整中有许多特殊的作用 1 延时效果 D E L A Y 完成对声音信号进行延 时的基本功能 延时时间从几m s到几s 主要有两方 面的运用 解决扩声系统中不同距离音箱的方位感 在较 大场所扩声用的音箱往往很多 其中前后两只音箱发 出的声音到达听者耳朵会产生强度差和时间差 这些 不同时间到达的声音破坏了现场的清晰度 扩声系统 中的音箱放在听音的正前方或前上方为最好 假如需 要对后排也放音箱来弥补声音的不足 就需要对其作 延时处理 延时器的典型运用如图5所示 单声信号模拟立体声 一单声信号分别加以 不同量的延时后 进入左 右通道 再将原始信号调 定在中间方位 就可以模拟出立体声声像 其原理如 图6所示 2 镶边效果 F L A N G E 当延时时间在0 3 5 m s 之间时 人耳感觉不到滞后声音的存在 与原始信号混 合后 因其相位干涉而产生 梳状态滤波 效应 这就是 镶边效果 其原理如图7所示 图3延时线的实现原理 读 写复用指针 环形缓冲区 图4阶I I R数字滤波器的内存存储数据结构 b 0 b 7 b 6 b 1 X R 0 a 0 a 7 a 6 a 1 X R 2 x n x n 7 x n 6 x n 1 X R 5 y n y n 7 y n 6 y n 1 X R 4 图5延时器的典型运用框图 后排音响前排音响 延时 输入 d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i nG 数字信号处理 2 0 0 8年 第3 2卷 第5期电声技术 3 合唱效果 C H O R U S 延时时间在3 0 5 0 m s 之间时 不再会感到有滞后的声音存在 将原始信号与 被延时的信号结合起来 会使一个声音听起来像两个 或更多的声音 这就是合唱效果 也称加倍效果 4 回声效果 E C H O E S 一个声音从声源发出 在某一距离碰到坚硬的表面被弹回去 然后经过足够 长的一段时间返回听觉器官 这时听到的是与原来声 音分开的重复声 延时时间大于5 0m s 这就是回声 效果 其工作原理如图8所示 5 共振效果 R E S O N A N C E 是将一部分延时 输出返回到输入端 形成一循环或反馈性的滤波器 该滤波器与梳状滤波器相似 但随返回增益的增加而 接近了恒定值 梳齿的峰变得很尖锐 其工作原理如 图9所示 当声源的性质是敲击性和瞬态性时 如小鼓 军 鼓 木琴或响板等 共振效果最佳 目前 基于数字化 延时设备的应用已非常有效 实际上 数字延时设备的 实现非常简单 只要有一定容量的内存 在每一个取样 间隔将先前值从存储器的一个单元中读出来 然后将 当前的输入值存储在另一个存储单元中 有时 这两个 存储区域可能是同一个区域 所以在写入一个值前 必 须首先将其中的值读出 即可 在下一个取样期间 读 写存储区间的另一个区域 当到达存储器底部时 又将 从第一个存储区域开始循环 编写一个延时程序一般 会使用2个指针 一个读指针和一个写指针 用来记录 从存储器读出的地址和写入存储器的地址 每进行一 次操作指针就会自动加1 2 3混响音效的A R M实现 混响又叫残响 是指声源发出的声音经过许多次 反复的反射衰减后传人人耳的声音 混响与延时既有 联系又有区别 混响是经过许多次反复的反射后传人 人耳的声音 在时间上是经过延时的 区别在于混响是 经过许多次的衰减传人人耳的声音 声音信号的幅度 是在递减的 而延时 声 的信号幅度是保持不变的 在音响系统中 为了弥补室内自然混响的不足 以 改善和美化音色 产生各种特殊的音响效果 就必须加 上混响器 混响是数字效果器的主要功能 利用效果器 的参数可以对空间大小 声音色彩 早期反射等声音因 素进行调整 从而改善和提高厅堂的音质 增加音源的 融和感 基本混响类型有 1 厅堂效果 H A L L 模拟各种大 中 小型音乐 厅的空气吸声特性效果 具有相当低的初始回声密度 密度随时间增加逐渐建立 有心旷神怡的感觉 适用于 古典音乐及其他需润色的音乐 2 房间效果 R O O M 模拟各种大 中 小型房 间 木房及教室等效果 相当于厅堂效果有较高的扩散 和流畅明快的感觉 适用于需附加上密度或声学空间 感的声音 3 板式效果 P L A T E 模拟各种金属板及木板 的效果 具有较高的初始扩散和明亮度 有染色的金属 声和明亮清脆的感觉 适用于人声 铜管乐器及流行音 乐中的打击乐 4 密室效果 C H A M B E R 模拟各类密闭室的声 场效果 有较高的扩散和舒适感 适用于各种弦乐 混响效果的实现比较复杂 要通过梳状滤波器 c o m b 和全通滤波器 a l l p a s s 才能很好地完成 梳状 滤波器是一个带后向反馈的延时回路 是最直观 最简 单的回声模拟模型 其特征图如图1 0所示 4 由图1 0可见 梳状滤波器的幅度是随时间以指数 形式衰减的 这点与实际混响的特性一致 但是它的 频谱呈明显的梳状滤波特性 这样对于不同的频率 就会产生幅度的颤动 从而使得处理后的声音有染色 效应 这样设计出来的混响算法声音颤动 且很容易 产生金属声 全通滤波器是梳状滤波器的改进模型 它是一个带 有前向反馈支路的梳状滤波器 其特征图如图1 1所示 5 图8回声效果产生原理图 延时 输入 图9共振效果产生原理图 延时 输入 图1 0梳状滤波器特征图 a 原理框图 Y m X n Z m a b 冲激响应 m 5 m 4 m 3 m 2 m 1 0 0 0 2 0 6 0 8 0 4 归一化幅度 m 0 c 频率相应 0 70 60 50 40 30 20 1 0 归一化频率 归一化幅度 1 0 0 2 0 6 0 8 0 4 Di g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g 数字信号处理 2 0 0 8年 第3 2卷 第5期 电声技术 可见 全通滤波器幅度的衰减仍然是指数式的 且 从频谱图上可以看出 全通滤波器的频响是一个常数 这样就不会产生染色现象 显然 单个梳状滤波器和全通滤波器只能模拟声 音一次反射的情形 且回声密度比实际混响效果要小 得多 同时实际的混响音效产生的多次反射波到达人 耳的时间间隔是逐渐减小的 而这种简单模型产生的 多次反射波到达人耳的时间间隔是相同的 周期性的 为了达到真实的混响效果 笔者将多个梳状滤波器和 全通滤波器通过串联 并联的形式组合起来 逼近实 际的混响效果 其实现过程如图1 2所示 4 2 4压缩音效的A R M实现 压缩器是改变输入与输出信号电平大小比率的效 果器 使信号的输出动态范围变小 使较微弱的信号变 大而使较大的信号变小 结果是使大信号与小信号之 间的差别变小 例如 压缩器可用来使s n a r e鼓的音轨 变得平淡柔和 允许整个鼓的声音在混音器上被提升 到一个较高的电平 而不会使母带过载 对于有些歌手 来说 他们在进行录音时总是不能够很好地保持嘴部 与传声器之间的距离 这时候使用一些温和的压缩效 果就可以使得人声音轨的表现更佳 压缩器的工作原理为 一旦输入的信号电平超过 了用户设定的阈值 则压缩器就将开始工作 把过高的 输入电平降低 这样得到的结果是 在增大输入电平的 同时 不会造成输出电平产生同等幅度的增大 例如 设置压缩率为2 1 则每增加2 d B的输入电平只会造 成输出电平有1 d B的变化 工作原理图如图1 3所示 对压缩器进行设计 需知几个重要的参数 1 阈 值 t h r e s h o l d 参数 决定了要被压缩或是限制的信号的 上下限 处于阈值以内的信号将不会受到影响 2 比率 r a t i o 参数 选择了在输入信号超过阈值时 输出电平改 变的方式 较高的比率值 将导致较大的压缩 并使得 声音听起来很 挤 非常高的比率值会导致信号产生 极端的 上限成分 c e i l i n g 这叫做极限 l i m i t i n g 3结论 基于A R M的电吉他数字效果器能够实现多种音 效 笔者给出了基于A R M的效果器的结构框图 研究 了电吉他数字效果器信号的延时 混响 压缩 均衡 失 真等效果的实现算法 各种效果可单独使用 也可串接 使用 都能达到预想的效果 参考文献 1 B O S SC o r p o r a t i o n B D 2o w n e r sm a n u a l E B O L 1 9 9 5 1 2 1 9 2 0 0 5 0 8 1 3 h t t p l i b r o l a n d c o j p m a n u a l e n d l 0 6 0 9 8 0 3 B D 2 e 3 p d f 2 H J R O S CY B Pa l g o r i t h m w h i c hv a r i e st h en u m b e ro f h i d d e nu n i t s J N e u r a l N e t w o r k 1 9 9 1 4 1 6 1 6 6 3 S C A L E R OS Af a s t n e wa l g o r i t h mf o r t r a i n i n gf e e d f o r w a r d n e u r a ln e t w o r k s J I E E E T r a n s o nS i g n a lP r o c e s s i n g 1 9 9 2 4 0 1 2 0 2 2 1 0 4 N O R E G A R WA N G H o n g A d i r e c ta d a p t i v en e u