虚拟低音的研究与实现

论文摘要

移动多媒体电子设备尺寸及厚度的降低严格限制了所配置的扬声器的尺寸。而扬声器的低频重放能力与其尺寸直接相关,小型的扬声器低频性能难以令人满意。一些情况下,可以直接增强低频信号的响度,但此方法会增加设备的功耗,对扬声器寿命也有不利影响。本文研究了一种更为有效的低频增强手段“虚拟低音”,该方法利用了心理声学中“基频丢失”这一独特现象,通过产生并回放低频信号的谐波序列,使人耳听到实际上未被扬声器播放的基频音调。本文主要研究了以下几个方面：1,分析了较有代表性的两种虚拟低音算法的基本原理及其缺陷。时域MaxxBass算法谐波产生只需通过一个反馈乘法电路,但其缺陷是会产生交调失真。频域的VB PhaseVocoder直接计算基频频率,通过变调获得多次谐波,显然其谐波成分较为“纯净”,但是其效果优劣受到基频频率计算准确度的影响。2,针对以上两种算法的不足之处,提出了一种基于复调制的频谱细化(ZFFT)虚拟低音算法。该算法针对密集频谱各个频率分量间会相互干涉影响分析精度的问题,对音频进行频谱细化运算,在不增加FFT运算点数的前提下获得了较高的频率分辨率,并且不降低分析带宽,提高了算法适应性,进而使得所得基频更为接近真实值。3,针对合成信号的饱和失真问题,提出一种快降慢升的AGC算法进行自动增益的控制,并对算法进行仿真,给出了时域上该算法相对于未处理音频及普通AGC算法的对比效果,结果证明,该AGC算法在解决饱和失真的同时能够有效的保留音频的自身信息。4,采用对偶比较法对MaxxBass, VB PhaseVocoder及基于ZFFT的虚拟低音算法的低音响度,圆润度,清晰度,力度和整体音质进行主观评价,根据主观音质评价的实验结果,基于ZFFT的虚拟低音算法较其它两种算法在各指标的独立评价中表现较为均衡,其整体音质较其它两种虚拟低音算法有了一定的提高。5,选择了FPGA硬件平台实现该虚拟低音算法,由于音频的处理对于FPGA来说,速度要求不高,故一些算法采用了较为节省资源的处理方式,同时利用了分布式(DA)算法实现FIR滤波器的乘加运算。该虚拟低音算法硬件资源消耗不高,具有广泛的应用前景。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景介绍
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文主要工作
• 第二章 音质评价体系及虚拟低音原理分析
• 2.1 人耳听觉特性的发现
• 2.2 声音的主客观特性分析
• 2.2.1 听觉和响度级的研究
• 2.2.2 音调
• 2.2.3 音色
• 2.2.4 音型
• 2.3 音质评价的问题与要素简析
• 2.4 音质评价术语的选定
• 2.5 心理尺度的构成
• 2.6 虚拟低音基本理论研究
• 2.6.1 基频丢失现象的发现
• 2.6.2 虚拟低音实现条件的研究
• 2.7 本章小结
• 第三章 现有虚拟低音算法的研究及改进
• 3.1 MaxxBass原理及缺陷分析
• 3.1.1 MaxxBass谐波产生原理
• 3.1.2 MaxxBass的响度保持
• 3.1.3 MaxxBass缺陷分析
• 3.2 VB PhaseVocoder原理及缺陷分析
• 3.2.1 基频确定与音频的变调
• 3.2.2 参数化响度控制
• 3.2.3 VB PhaseVocoder算法的缺陷分析
• 3.3 音频频谱分析中干涉现象的研究
• 3.4 基于ZFFT的虚拟低音系统
• 3.4.1 ZFFT算法原理分析
• 3.4.2 ZFFT算法在虚拟低音中的应用
• 3.4.3 ZFFT虚拟低音算法中的自动增益控制
• 3.5 ZFFT虚拟低音算法仿真结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于ZFFT的虚拟低音算法音质主观评价
• 4.1 对偶比较法心理尺度简析
• 4.2 虚拟低音音质评价方案的设计
• 4.2.1 音频材料及重放设备的选定
• 4.2.2 评价术语的选择与方法设计
• 4.3 ZFFT虚拟低音算法的主观音质评价结果与分析
• 4.3.1 各指标的优劣评价结果与分析
• 4.3.2 整体音质评价结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 ZFFT虚拟低音算法的FPGA实现
• 5.1 音频的FPGA处理系统
• 5.2 ZFFT虚拟低音算法的实现
• 5.2.1 数字的表示方法
• 5.2.2 滤波器的设计与实现
• 5.2.3 FFT与IFFT的硬件实现
• 5.2.4 自动增益模块的实现
• 5.3 算法实现中的有限字长效应
• 5.3.1 量化误差
• 5.3.2 滤波器系数量化与运算误差
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历