基于Simulink数字音效的研究

基于Simulink仿真平台的数字音效系统设计陈伟;汤乐民;吴辉群;沈晓燕【摘要】设计硬件电路来研究各种音效算法,其开发周期长、成本高、算法不便灵活修改.利用Simulink音频处理模块库、子系统、封装技术及Matlab函数库设计了具有Sehroeder混响、镶边、合唱、回声功能的数字音效系统.介绍了系统设计的具体步骤以及各个音效模块的参数和使用方法.结果表明,系统各音效模型层次清晰,参数可视化灵活设置,可以仿真实现不同的音效,有助于工程技术人员加快对各种音效算法的研究和开发.【期刊名称】《电声技术》【年(卷),期】2015(039)011【总页数】8页(P29-36)【关键词】数字音效系统;Simulink;模块;子系统;封装技术【作者】陈伟;汤乐民;吴辉群;沈晓燕【作者单位】南通大学医学院影像工程教研室,江苏南通226000;南通大学医学院影像工程教研室,江苏南通226000;南通大学医学院医学信息学系,江苏南通226000;南通大学电子信息学院,江苏南通226000【正文语种】中文【中图分类】TP393市面上充斥着不计其数的延时、调制、失真类型的数字效果器，但是这些音效算法都是集成在芯片内部的ROM中，无论是国内还是海外，出于商业的目的，很少会公开这些音效的算法。

研究者们只能结合电声学、心理学、音乐声学、计算机技术和数字信号处理技术等学科内容来研究各种音效算法。

虽然可以通过搭建硬件电路来研究各种音效算法，但其开发周期长、算法修改不够灵活。

本文借助Matlab强大的数字信号处理能力，充分利用其在音频处理方面的应用，在 Simulink仿真环境下，实时地对音效模型进行仿真实现，有效地帮助研究音效算法的人员加快对各种音效算法的理解和开发，通过对模型参数灵活设置可以实时仿真出各种不同音效。

利用Simulink平台设计的数字音效系统具有以下优点[1-2]：(1) 通过简单的鼠标点击和拖拽操作即可实现对各种音效模型进行设计，易学易用，方便快捷。

实验二 基于simulink 的2ASK 有扰通信系统仿真一、实验目的1、熟悉2ASK 系统的调制、解调原理2、进一步熟悉MATLAB 环境下的Simulink 仿真平台3、提高学生分析问题和解决问题的能力二、实验原理1、2ASK 调制原理a)2ASK 的时间波形振幅键控是正弦载波的幅度随数字基带信号而变化的数字调制。

当数字基带信号为二进制时，则为二进制振幅键控。

设发送的二进制符号序列由0、1序列组成，发送0符号的概率为P ，发送1符号的概率为1-P ，且相互独立。

该二进制符号序列可表示为)()(S nn nT t g a t s -=∑其中，⎩⎨⎧=P -P 110发送概率为发送概率为n a T s 是二进制基带信号时间间隔，g(t)是持续时间为T s 的矩形脉冲:⎩⎨⎧≤≤=其他001)(s T t t g则二进制振幅键控信号可表示为t nT t g a t t s t s c s n n c ASK ωωcos )(cos )()(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==∑ 典型波形如图1-1所示图1-1 典型2ASK 波形由图1-1可以看出，2ASK 信号的时间波形e 2ASK (t)随二进制基带信号s(t)通断变化，所以又称为通断键控信号（OOK 信号）。

b)2ASK 信号的功率谱密度由于二进制的随机脉冲序列是一个随机过程，所以调制后的二进制数字信号也是一个随机过程，因此在频率域中只能用功率谱密度表示。

2ASK 信号功率谱密度的特点如下：(1)由连续谱和离散谱两部分构成，连续谱由调制信号g(t)经线性调制后决定，离散谱由载波分量决定；(2)已调信号波形的带宽是基带脉冲波形带宽的2倍。

2ASK 信号功率谱密度推导：设调制信号s(t)为单极性不归零码，码元间隔为T s ，高电平设为A ，低电平为0，则)(t s 的功率谱)(f P s 为 )(4)(4)(222f A fT Sa T A f P s s s δπ+= 已调信号为t nT t g a t t s t s c S n n c ASK ωωcos )(cos )()(2⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==∑，其功率谱为[])()(16)()(sin )()(sin 16)(2222c c s c s c s c s c s e f f f f A T f f T f f T f f T f f T A f P -+++⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡--+++=δδππππ图1-2 2ASK 信号的功率谱密度示意图图中，sb T f 1=，为调制信号s(t)的带宽，数值上也等于码元速率。

目录摘要1Abstract2绪论2第1章音响放大器的原理及基本组成31.1 原理简述31.2 音响放大器的基本组成31.3 各部分电路的作用3第2章电源电路参数及设计42.1 设计方案42.2 话筒放大器和混合放大器设计52.3 音调控制器设计52.4 功率放大电路设计12第3章主要元器件介绍123.1 集成元算放大器UA741133.2 集成功率放大器LA410215第4章建模与仿真164.1 Matlab简介164.2 Simulink简介174.3 模型建立及各个模块参数设置184.4实验过程及结果分析25总结30致谢30参考文献30摘要音箱是将电信号还原成声音信号的一种装置，还原真实性将作为评价音箱性能的重要标准。

有源音箱就是带有功率放大器(即功放)的音箱系统。

把功率放大器和扬声器发声系统做成一体，可直接与一般的音源(如随身听、CD机、影碟机、录像机等)搭配，构成一套完整的音响组合。

本文阐述了通过Matlab/Simulink仿真，利用UA741运算放大器以及功率放大器LA4102所组成的音响放大电路实现对话筒输入信号以及拾音信号进行放大的功能，为我们了解信号的放大原理以及强化对芯片的理解和应用提供便利。

关键词：有源音箱、功率放大器、扬声器、Matlab/Simulink、UA741、LA4102、话筒AbstractSpeaker is the sound signals into electrical signals to restore a device to restore the authenticity of the performance as an important criterion for evaluation of speakers. Active Speaker is with a power amplifier (or amp) and speaker system. The power amplifier and speaker sound system, made one, directly with the general source (such as Walkman, CD, DVD player, VCR, etc.) with, constitute a complete set of sound combinations. This paper elaborate the theory simulation though Matlab/Simulink, use the circuit formed by operational amplifier UA741 and power amplifier LA4102 to realization the function that amplification the microphone input signal and the pickup signal. Provide convenient for us understanding the principle of signal amplification and strengthen our understanding and uds about the chips.Key words:Active Speaker、Power Amplifier、Speaker Sound、Matlab/Simulink、UA741、LA4102、Microphone绪论我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，这属于低频范围，对于幅度信号很小的音频比如说驻极体话筒输出的信号只有几mv，我们需要对它进行电压放大和功率放大才能变成我们需要的可以驱动扬声器发出声音的大信号，为了更好的了解这一原理及放大过程，我们进行了此次课程设计，下面首先对电压放大器的概念进行一下说明，因为它是功率放大的基础。

一：应用背景利用所学习的数字信号处理知识，自己动手制作一个有趣的音效处理系统，看看能不能完成声音的逐渐放大和逐渐衰减、看看能不能让自己的声音发生一些改变（变得尖声尖气或粗声粗气）、看看改变声音播放速度有什么方法等等，你还可以自己想想还有什么有趣的变化，可以通过我们已有的知识让它实现。

作为课程设计，以下要求分为基本必做部分和提高必做部分，在提高部分你可以选择全部内容和部分内容，当然分数值是不一样。

二、基于MATLAB数字音效处理器2.1：实现步骤基本要求描述（40分）1）语音信号的采集（2分）要求利用Windows下的录音机,录制一段自己的话音,时间在5s内，存为*.WA V的文件。

然后在Matlab软件平台下,利用函数wavread对语音信号进行采样,记住采样频率和采样点数。

2）语音信号的频谱分析（10分）要求首先画出语音信号的时域波形;然后对语音号进行快速傅里叶变换,得到信号的频谱特性，分析基频。

3）设计数字滤波器和画出其频率响应（10分）给出各滤波器的性能指标：(1)低通滤波器性能指标fb＝1 000 Hz,fc＝1 200 Hz,As＝100 dB,Ap＝1 dB。

(2)高通滤波器性能指标fc＝4 800 Hz,fb＝5 000 Hz As＝100 dB,Ap＝1 dB。

(3)带通滤波器性能指标fb1＝1 200 Hz,fb2＝3 000 Hz,fc1＝1 000 Hz,fc2＝3 200 Hz,As ＝100 dB,Ap＝1 dB。

4）用滤波器对信号进行滤波（5分）要求学生用自己设计的各滤波器分别对采集的信号进行滤波,在Matlab中,FIR滤波器利用函数fftfilt对信号进行滤波,IIR滤波器利用函数filter对信号进行滤波。

5）比较滤波前后语音信号的波形及频谱（10分）要求在一个窗口同时画出滤波前后的波形及频谱，做出分析。

6）回放语音信号（1分）在Matlab中,函数sound可以对声音进行回放。

基于matlab的数字音效处理器《数字信号处理》课程项目终期报告题目：数字音效处理器目录第一章绪论 (1)1.1 项目背景及研究意义 (1)1.2 数字信号处理概述 (1)第二章总体方案设计 (3)2.1 项目需求分析 (3)2.2 开发平台及工具选择 (3)2.3 项目功能设计 (3)第三章人机交互界面设计 (4)第四章数字语音信号简单处理效果设计 (5)4.1 低音增强 (5)4.2 回声特效 (6)4.3 添加背景音乐 (8)4.4 回旋效果 (9)4.5 快/慢放特效 (11)第五章自适应语音分割、倒序 (13)5.1 目标实现 (13)5.2 原理简述 (13)5.3 实现步骤 (13)5.4 应用实践 (16)5.5 核心代码分析 (16)5.5 算法优化（快速自适应倒序） (18)第六章项目实施过程 (19)第七章总结与展望 (20)7.1 项目总结 (20)7.2 项目展望 (20)附录 (21)参考文献 (37)第一章绪论1.1 项目背景及研究意义随着科技的发展,数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)被广泛的应用在各种电子产品中,从便携的个人数字助手PDA(Personal Digital Assistant)到家庭影院,电子产品对人们的生活产生着巨大的影响。

人们不仅对图像的质量有很高的要求,近年来对声音质量的需求也与日俱增。

这种需求已经不单局限在聆听,而上升为一种听觉享受。

在实际生活中,除了符合建筑声学标准的录音室、音乐厅等外,一般的室内都很难达到比较完美的音质及效果,通常需要使用音效处理器来进行处理、美化，这使得音效器的发展,得到了更为广泛的关注。

1.2 项目背景及研究意义数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)是利用专门或通用的数字信号芯片,以数字计算的方法对信号进行处理,具有处理速度快、灵活、精确、抗干扰能力强、体积小等优点。

学号：毕业设计论文题目基于Simulink的数字调制系统仿真设计常州大学怀德学院本科毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），题目《基于Simulink 的数字调制系统仿真设计分析》是本人在指导教师的指导下，进行研究工作所取得的成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。

除此之外，本设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

本人完全意识到本声明应承担的法律责任。

作者(签名)：日期：2012 年 4 月 10 日目录摘要 (3)Abstract (4)1绪论 (5)1.1 MATLAB/Simulink的简介 (5)1.2 通信技术的发展 (7)1.2.1 通信的概念 (7)1.2.2 通信技术的发展现状和趋势 (9)1.2.3 通信系统主要分类 (10)1.3课题的研究和意义 (10)2数字基带传输系统 (12)2.1二进制振幅键控(2ASK)原理简介 (12)2.2二进制移频键控(2FSK) 原理简介 (15)2.3二进制移相键控(2PSK) 原理简介 (19)2.4正交振幅键控(QAM) 原理简介 (22)2.5多进制相移键控调制（QPSK）原理简介 (24)2.6最小移频键控(MSK) 原理简介 (26)2．7 二进制数字信号的功率谱密度 (29)2.7.1 2ASK 信号的功率谱密度 (29)2.7.2 2FSK信号的功率谱密度 (31)2.7.3 2PSK信号的功率谱密度 (32)3 数字基带传输调制解调系统仿真 (33)3．1二进制振幅键控(2ASK)的Simulink仿真 (33)3．2二进制频率键控(2FSK)的Simulink仿真 (40)3．3二进制移向键控(2PSK)的Simulink仿真 (46)3．4正交振幅键控(QAM)的Simulink仿真 (52)3．5多相相移键控信号(QPSK)的Simulink仿真 (56)3．6最小移频键控(MSK)的Simulink仿真 (58)4．3仿真结果与分析 (61)4．3 GUI用户界面设计 (63)总结 (65)参考文献 (66)致谢 (67)摘要Simulink是Mathworks公司推出的基于Matlab平台的著名仿真环境Simulink作为一种专业和功能强大且操作简单的仿真工具，目前已被越来越多的工程技术人员所青睐，它搭建积木式的建模仿真方式既简单又直观，而且已经在各个领域得到了广泛的应用。

TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计（论文）题目：基于Simulink数字音效的研究目录摘要 (V)ABSTRACT (VII)第1章绪论............................................................ - 1 - 1.1背景 (1)1.2M ATLAB及S IMULINK基础 (1)1.2.1 Matlab介绍.................................................... - 2 -1.2.2 Simulink基础知识简介.......................................... - 2 - 1.3本文概要.. (4)第2章数字滤波与音效.................................................. - 7 - 2.1数字滤波简介. (7)2.2数字滤波器工作原理 (7)2.3数字滤波的数学模型 (8)2.3.1 直接卷积滤波.................................................. - 9 -2.3.2 递归滤波...................................................... - 9 - 2.4滤波计算的两个问题 (10)2.4.1 数组越界问题................................................. - 10 -2.4.2 溢出问题..................................................... - 10 - 2.5IIR滤波器与FIR滤波器 (10)2.5.1 IIR与FIR滤波器的设计........................................ - 10 -2.5.2 FIR与IIR滤波器的比较与选择.................................. - 13 - 2.6M ATLAB下滤波器的实现.. (13)2.6.1 通过编程实现................................................. - 13 -2.6.2 滤波器通过Simulink来实现.................................... - 16 - 第3章音效仿真与分析................................................. - 19 - 3.1均衡器 (19)3.1.1 均衡器简介................................................... - 19 -3.1.2 通常所见的均衡器............................................. - 19 -3.1.3 均衡器的作用................................................. - 19 -3.1.4 均衡器的设计................................................. - 20 -3.1.5 在Simulink下均衡器的实现.................................... - 21 - 3.2延时器 (22)3.2.1 延时器简介................................................... - 22 -3.2.2 延迟器的用途................................................. - 22 -3.2.3 Simulink下延时的实现......................................... - 24 - 3.3混响器简介.. (24)3.3.1 混响器的类型................................................. - 25 -3.3.2 混响器的技术指标............................................. - 26 -3.3.3 混响器特点................................................... - 26 -3.3.4 混响器的作用................................................. - 26 -3.3.5 最佳混响时间................................................. - 27 -3.3.6 混响时间的主观评价方法....................................... - 27 -3.3.7 数字混响器的工作原理......................................... - 27 - 第4章仿真结果与分析................................................. - 29 - 4.1音效仿真. (29)4.2回声 (30)4.3合唱 (30)4.4混响 (32)4.5均衡器结果分析 (33)4.6总结 (37)第5章总结与展望. .................................................... - 39 - 5.1总结.. (39)5.2DSP技术展望 (39)参考文献............................................................... - 41 - 致谢................................................................... - 43 -附录................................................................... - 45 -基于Simulink的数字音效研究摘要众所周知，人们在音乐场聆听的是原汁原味的音乐，但是将音乐场的音乐录下来重放的时候，扬声器会产生与频率有关的相位移，这是由于扬声器音圈有电感以及其移动部分产生的电磁感应，随着频率信号的增加会产生很大的感抗，结果高频波被延迟，发出的声音中携带的高次谐波倍延迟，尽管其声学频谱和电信号频谱完全相同，但这种听起来让人感觉缺失高频成分，不清晰，变的虚渺和浑浊声音好像被捂住了，为了恢复其清晰度和分辨率，通常用音调控制电路或均衡器来增强某些频率部分，这样听起来会好一些。

调频立体声广播的信号结构和仿真
一、仿真原理：
左右声道信号L(t)和R(t)通常是相关的，即为同一音源经过不同路径到达人左右耳的结果，人通过分辨这两个信号之间相位和幅度的细微差别来获得音源位置感。

因此，立体声副信号L(t)-R(t)的功率相对于主信号L(t)+R(t)的功率一般要小得多。

为了模拟左右声道的相关性，可用一个音频扫频源经过不同衰减和相位移动得出左右声道信号。

调频立体声广播发射系统原理方框图参见图（1）。

为了与普通单声道调频广播信号兼容，首先将左右声道信号L(t)和R(t)进行相加、相减运算，得到与单声道调频广播信号兼容的主信号L(t)+R(t)以及立体声副信号L(t)-R(t)。

然后对副信号进行抑制载波的双边带调幅（也称为平衡调制），载波频率为38KHz。

调频立体声广播传输的音频信号最高频率为15KHz，因此平衡调制输出信号的频带为23KHz到53KHz。

显然，15KHz到23KHz频带为空白频段，为了便于简化接收机结构，调频立体声广播标准中就在发送信号空白频段中加入19KHz正弦波作为导频信号。

这样接收机只要对导频信号倍频即可恢复平衡调制相干解调所需的同步载波。

主信号、导频以及平衡调制输出的副信号相加得出立体声基带信号m(t)，其最高频率为fm=53KHz。

随后对之进行调频，调频最大频偏为Δf=75KHz。

立体声基带信号的数学表达式为
图（1）
二、Simulink仿真模型：
三、仿真结果：。