1、 目的及意义

1.1 课题的研究背景及意义

当前，各种音效的研究已经成为现代音响技术中最活跃的领域之一。国外各大音响公司都集中相当的力量进行这方面的研究和开发，从模拟设备到数字设备，各种产品不断涌现。现代声学、电声学、心理声学、音乐声学和电子技术等学科的发展，更是促使了音频信号处理的技术的飞跃。

随着数字信号处理理论的不断完善以及IC技术的不断发展，数字信号处理器(DSP)性能不断提高，DSP可以实时完成各种复杂的运算，许多原本只有通过建筑声学或者模拟电路系统才能解决的声学效果问题,可以利用电声学知识以数字信号处理手段较为方便地解决。电声学与DSP技术的结合必将给室内声学带来一次前所未有的重大变革。以室内声学中的混响效果设计来讲，传统上一般通过建筑声学的设计得到某一“最佳”的混响效果。不同类型的声音对声学环境的要求是不同的：音乐应丰满，例如钢琴、弦乐等需要的混响时间长一些；语言（会议、电影等）应清晰，要求的混响时间短一些，两者难以兼顾。按照某一固定声学设计无法满足现代多功能厅所担负的不同声乐、观众对最佳混响效果的要求。传统上采用在房间内布置不同吸音系数的反射板或升降吊顶来改变厅堂的容积，以调节厅内的混响时间方法，显然不仅麻烦，且难以调节到最佳效果。而对于日益发展的家庭声响来说,用电声学手段得到不同厅堂的临场感可以说是唯一的可行方案。

与传统的模拟音效系统相比，使用DSP不但可以为回声、合唱、混响等各种人工效果的生成提供有力的手段，同时还可以方便地实现模拟方式难以解决的诸如动态范围控制、噪声抑制等问题，并且DSP以其灵活性为产品的适应性升级提供了可能，大大的减少了开发周期和花费。电声学与DSP技术的结合使得音效的DSP处理技术所特有的灵活性、经济性、方便性、可靠性无不表现的淋漓尽致。可以预见，各种音效的DSP处理必将成为一个重要的研究方向。

1.2 国内外研究现状

不断发展的数字信号处理（DSP, Digital Signal Processing）技术以其强大的处理能力、设计灵活性等优点迅速应用到很多领域，如音频处理系统、移动通信、医学仪器等领域。在 DSP 音频处理方面，国内主要集中在语音信号编解码、语音识别等方面，而在数字音效处理领域，国内的研究尚处于起步阶段，各音响公司的产品主要集中在模拟音效方面，在数字音效方面仍未出现拥有自主知识产权的产品。早在十年以前，在美国、日本等国家已有多家公司致力于数字音效系统的研究，各种基于 DSP 系统的数字音效产品主要是来自这些国家，其产品在数字音响、数字音效器等方面占据有绝对的技术和市场优势。下面分别介绍两款已在市场上得到一致认可的高品质的数字音效产品，分别由美国 Crate 公司和日本 ZOOM 公司研发和制造。

美国 Crate 公司生产的 Crate 数字音箱是模拟音箱与 DSP 数字音效处理系统相结合的产品，输入音箱的模拟音频信号先送入前级的 DSP 数字音效处理系统，进行延时、混响、合唱、镶边、均衡、失真等多种音效的数字处理后再送入音箱的模拟功放和扬声器产生丰富的音效输出。Crate 数字音箱的处理器采用的是美国 AD 公司的ADSP-2103 16 位通用 DSP 芯片，核心的音效处理算法固化在 DSP 内部的 ROM 中，A/D 和 D/A 芯片都是 16 位，采样率为 31.25KHz。Crate 数字音箱在低廉价格的基础上达到了相当好的音色。

1、 基本内容和技术方案

系统主要要求与功能包括：

a)根据应用系统的目标确定系统的性能指标，信号处理的要求；

b)采用高级语言进行性能模拟；

c)系统集成与独立系统运行；

d)给出基于此混响算法的数字混响器的硬件设计和音频信号处理流程；

e)混响算法能逼真的模拟自然混响特性；

f)在系统平台上可以很好地运行多种混响效果算法。

1.系统方案设计如下：

2.音效算法设计：

用 FIR 滤波器模拟前期离散的回声，用全通滤波器以及延时线模拟后期混响，用低通滤波器模拟空气对声波的吸收作用。具体的技术方案如下：

离散的前期混响主要利用 FIR 滤波器来实现，每一个 FIR 延时线的抽头对应一个前期离散回声。实验证明，增加了低通滤波器的前期反射模型生成离散回声的效果得到了明显改善，回声响应听起来更真实的多，反弹的声音尽管没有完全消失，但是已经明显减小了。若要进一步提高该模型的性能可以使用更多的低通滤波器来更好的逼近空气吸收效果，但这需要消耗更多的运算资源。

把全通滤波器、嵌套全通滤波器、延时线模块有机的结合起来，再将空气对声音的吸收（主要是高频）、混响时间等因素考虑进去就可以得到比较自然的混响算法。MIT 的 Gardner 博士针对混响时间的不同，得到了三种后期混响的模型。

3.系统硬件设计

利用TMS320VC5402作为主芯片，音频芯片选用了立体声音频 Codec 芯片 TLV320AIC23。

本系统中，三个状态位的配置为： MCMP =0，OVLY=1,DROM=0，此时系统的存储器空间分配如下： 0x0000～0x007F：内部存储器映射寄存器；0x0080～0x3FFF：分配为程序存储器和数据存储器空间。 此外，由于混响算法中有大量的中间数据需要保存，而程序存储器空间可以寻址 1M*16bit，根据实际的应用需求，本系统还在程序存储器空间外扩了一个256M*16bit 的 SRAM，通过专用指令 WRITA 和 READA 进行访问。

4.单片机系统控制实现

混响模式切换命令通过旋转波段开关的位置实现，混响时间控制命令、音调控制命令、音量控制命令通过旋转电位器的位置实现，原音/音效的切换控制命令通过脚踏板实现，其中，对于原音/音效的切换控制，开始状态下，混响音效打开，按下脚踏板后，系统指示灯灭，音效关，再次按下脚踏板后，系统指示灯亮，音效开；总之，每次按下脚踏板后，系统就在原音和音效之间切换，因此，此功能通过中断的方式来实现。为了保证控制功能的实现，系统软件采用前后台的工作方式，前台软件循环监测每个旋钮的状态以及原音/音效切换的状态字，将当前的状态与其前一状态进行比较，如果状态发生变化，则保存当前状态，以备下次检测使用，然后向DSP发送控制命令字和中断信号；如果状态没有变化，则直接检测下一个功能的状态；后台软件就是处理脚踏板中断，在中断服务程序中设置原音/音效切换的状态字。

5.混响算法的DSP实现

混响算法的逻辑架构为：延时线模块负责外部SRAM空间的读写访问；全通滤波器建立在延时线模块的基础上；大厅混响、小厅混响和弹簧混响建立在延时线模块和全通滤波器的模块之上。

对于每一个循环缓冲区，其读写操作包括以下步骤：读取当前地址所指存储单元的数据；保存最新数据至当前地址所指存储单元；当前存储单元的地址加1

，判断加1后地址是否到达缓冲区的尾地址，如果到达，则将循环缓冲区的首地址作为当前地址。

1、 参考文献：

[1]王杰,杨广权,王谢谢,黄曼露,颜霖煌.基于互相关函数的电声系统延时测量方法[J].广州大学学报(自然科学版),2017,16(05):1-6.

[2]邱理文. Schroeder混响声染色研究[D].广州大学,2016.

[3]荣华. 剧场多通道音响技术的研究[D].北京工业大学,2015.

[4]才思远. 虚拟立体声系统研究[D].大连理工大学,2015.

[5]王磊. 声频定向扬声器信号处理软件系统的设计与实现[D].电子科技大学,2011.

[6]徐伟一. 二元矢量阵混响实验设备研究[D].哈尔滨工程大学,2010.

[7]田海津. 数字音频的音效算法实现[D].上海交通大学,2009.

[8]徐敬忠. 数字混响音效系统的设计与实现[D].华中科技大学,2007.

[9]王东霞. 基于ADSP21160的阵列信号源[D].西北工业大学,2006.

[10]王兴国,蒋伟峰,马洪庆,刘济林.数字混响器设计[J].电子学报,2000(07):84-87.

[11] Siberschatz. Database System Concepts (6 Edition)[M], McGraw-Hill Companies, Inc,2015

[12] Michele Fiorini .AIS Data Visualization for Maritime Spatial Planning (MSP)[J]. International Journal of e-Navigation and Maritime Economy,5,45-60,2016

[13] Xing Wu; Aesha L Mehta; Victor A. Zaloom; Brian N. Craig.Analysis of Waterway Transportation in Southeast Texas Waterway based on AIS Data[J]. Ocean Engineering,121,196-209，2016

[14] Localizing speakers in multiple rooms by using Deep Neural Networks,Fabio Vesperini, Paolo Vecchiotti, Emanuele Principi, Stefano Squartini, Francesco Piazza (2018)

[15] Coherence based dual microphone speech enhancement technique using FPGA,Tanmay Biswas, Sudhindu Bikash Mandal, Debasri Saha, Amlan Chakrabart, 111-118,(2018)

[16] Improving acoustical characteristics of a Gothic cathedral using simple public address system: A case study of Myeong-dong Cathedral in Seoul, Korea. In Hwan Hwang, Won Gab Cho, 17-28,(2017)

[17] CDMA-based acoustic local positioning system for portable devices with multipath cancellation. Fernando J. álvarez, Teodoro Aguilera, Roberto López-Valcarce.38-51,2017

[18] Frequency-domain active noise control for magnetic resonance imaging acoustic noise. Nokhaeng Lee, Youngjin Park, Gun Woo Lee.30-38,2017.

[19] Echo threshold between passive and electro-acoustic transmission paths in digital hearing protection devices. Narimene Lezzoum, Ghyslain Gagnon,

Jérémie Voix.372-379,2016

[20] A feed forward adaptive canceller to reduce the occlusion effect in hearing aids. Renata Coelho Borges, Márcio Holsbach Costa.266-279, 2016