（电工理论与新技术专业论文）网络数字音频处理器的研究.pdf

凝汪大学硕士学垃论文 a b s t r a c t 耽ed e v e l o p m e n to f m p u t e ra n dn e 似o r k sh a v eb r o u 曲tg r e a ti m p a c to nt h e t r 缱i t i o n a la u d i op f o c e s s i n ga n dt f a 珏s m i s s i o n d i 酉l 蠢a u 硅i os i 韶a lp r o c e s sg f a d u a l l y t a k et h ep l a c eo ft l l ea n a l o ga u d i os i g n a lp r o c e s sa n dt u mi 1 1 t o - j n a i n s t r e a m b e c a u s e t h et r a d i t i o na u d i ot r a n s m i t f i n gn e t w o r kh a ss h o f t c o m i n g ss u c ha s 量l a r dt ob e m a n a g e d ，c o m p l i c a t e df 曲r i c h a r dt om a l i z e 卸t o - s w i t c h i n g ，t l l ed 主醇a ln e 附o r 】【sw i l l b et h ef u t u t eo ft h ea u d i on e 时o r k sw i t hn od o l l b t a c c o f d i n gt o 也er e q u i r e m c n t so fp f o f e s s i o n a la n dc o n s u m e ra u d i oe q u i p m e n t m a r l r c t ，an e 柳o r kd i g i t a la u d i op f 0 c e s s o rb a s e do nc o b r a i l e ta n dd s pi sd e v e l o p e d 曩l e 糟越t j ep e r 妇掮强c c 醴a u 幽o 孙珏s m i s s i o 矗o fc m 2 ( t h eh f d w a f eo fe o b r a n e 垮 a i l dt h eh i 曲p e r f o 肌a n c co fa d s p 2 1 2 6 2i i lp r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o na r e c o m b i n e di l l 斑i sp r o c e s s o r 。 t h ec o n t e n to ft h i st l l e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ： 1t h es t f o n g - p o i n t sa n ds h o r t c o m i n g so ft h ea n a l o g 髓dd i g i t a la u d i o p 辩c e s s 主n g ，t l l et r a d 撕o n a la l i dd 酒t a la u d i ot r 如s m i t t i n g e m o f kw a sc o m p a f e d 2s t u d i e dd s pa 1 鲥圭h m si nd i 百t a la u d i op r o c e s s i n g 。 3 d e s i g n e d 也es y s 绝mo f 氆en e l w o r kd i 醇a 至a u d op c e s s 髓b a s e do n c 0 b r a n e t 4d e s i 铲c dt h es o 脚a f eo f 氇en e 魄o f kd 垮t a l 黜d i op 尊d c e s s o fb a s e do n c 0 b r a n e t 5s u m m a r i z a 虹o na n de x p e c t a t i o n 【k e o r d 】 n e t w o r kd i g i t a la u d i op r o c c s s i n g ，c o n b 啪e t ，d s p ，a u e f f e c t p r o c e s s i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 计算机技术和网络技术的飞速发展给传统的音频处理和传输领域带来了极 大的冲击。数字音频处理技术署噩数字音频网络传输技术己成为专业膏频领域的两 个主要发展方向。 1 1 音频信号处理器和调音台 在声音采集、记录，到传播驰过程审，为了实现艺术上的效果和技术上豹 某些要求，必须对准备记录的信号或传播出去的信号进行不同的预处理和加工， 然后再记录或播放。这些处理和加工装置称为音频信号处理器。音频信号处理器 可分为均衡器，压缩器，扩展器，混响器等等。而调音台则将这些音频信号处理器 组合起来，达到用户所需要的各种艺术效果。 以一个简单雨完整的音响系统( 圈l 。1 ) 以及音乐和广播蓠期和播出错l 作系统 ( 鹫l 。2 ) 为倒，扶系统缡构图可以明显蚋看出，调音台不仅是扩鸯系统的核心， 同时也是音乐和广播前期和接出制作系统的核心。从整个工作流程来看，调毒台 毫无疑闯的位于最中心的位黉，起着承上启下的作用“。 图1 1 一个简单的膏响系统“ 潺汪大学硬士学位论文 图l 。2 音频制作系统“ 常用的调音台能同时接受多路( 可能多达上百路) 不同的信号，并分别对这 些信号在音色和幅度上进行调整加工处理。图1 3 是一个典型的模拟调音台控 制面板，上面有无数旋镪，还有各种开关，操作十分复杂。 图1 3 典型的模拟调啬台控制箍扳 调毒台功能虽然复杂，归纳起来，有四个主要功能“”。 第一个功能是信号的合并。调音台将各路信号调整后，要将各种信号合并成 标准的左右声道( 立体声) 形式输出，作为下一级设备的输入信号使用，这是最 基本的功能。 第二个功能是对信号进行电平调节。当冬种不嗣节匿源的信号进入调番台 君，其不同的信号所需的放大量也不尽相同，所以调音象必须能分别处理不同的 叫蒋司同由器 涯涯大学硕士学位论文 信号。如各种乐器的音乐信号与人声信号在幅度上就不相同，当然就需要分别进 行处理。 第三个功能是分别越各耪信号进荦亍频率调整( 即调啻) 。不固的信号，由于 其频谱分布，谐波成分等方醋的原因，形成不同的音色，丽建筑物等对声音的影 响使音色产生很大的变化。需要要根据不同的扩音环境，对进入调鹰台的不同声 音信号分别进行加工，用来消除高、低频的噪声以及有密的音频信号，补偿信号 的频率损失，使其声音尽可能接近原声。此外，调眚还能对声源的音色进行加工 处理，创造特殊的音响效果。 第四个功能是混合分配功能。调音台首先对各路输入信号分别进行技术上的 加二 和艺术e 的处理，然后濑合成一路或多路立体声输出。鸯频信号经混合看， 根据不同要求分配给主通道、编组通道、矩阵通道、辅助通道等输出“”。 1 2 调音台的种类 目前调音台的型号鼎种繁多，但是从技术处理层面上，可以分为模拟和数字 调膏台2 大阵营。 模拟调音台各个主要通路中的音频信号的放大、均衡等处理，都是以模拟方 式进行，当然在自动控铡、状态记忆、存储和祝内的效果处理等方面可采用许多 数字技术。数字调啻台内音频信号豹处壤全郝是双数字方式进行，在状态、 己忆、 参数存储等方面更能发挥数字化的优点，使用更加灵活，功能比模拟调酱台更丰 富。目前使用调音台，大多数是模拟调音台，全数字化的还比较少。近年来还出 现了一种数字控制的调音台，台内的音频信号处理基本上是以模拟方式进行，而 控制部分采用了大量数字技术，自动化程度高，是一种从模拟向全数字调音台的 过渡形式“。 模j 薹l 调啬台制作编辑复杂，工作效率低，面且要达到商音频指标的制造成 本穰高，这些己成为音频系绕的瓤颈闫题。 与模拟调音台相比数字调音台具有以下的主要优点”： 信号处理不产生裂化，能获得更高的音频质量 数字调裔台内的延时器、电平控制、信号分配的内部运算一般均在3 2 bi t 以上，而均衡和滤波部分则采用更高的4 0 bi t 浮点内部处理，动态 蠢江大学硕士学位论文 范围能够达到1 4 4 d b 1 9 2 d 8 。并已具备制作d v i ) 音频数字多轨环绕声功 能。 计算枫控裁霹实瑗高智钇 音频信号全部数字化处理，为计算辊控制实现赢度垂动他和智能化 提供了可能。调音台上的衰减器、e q 、各开关部件，即调音台面板的所有 参数和调音台内部效果器的参数全都可以记忆存储，还可以自动控制重 现，反映全盘状态的“场景”。大型台子能够存储多达二百个以上的参数。 反映局部状态的“事件”，可指定记录近千个。调音制作程序可存入硬盘， 雹据“场景”、“事件”耜自动控制数据j 系统数据瞧可保存在软盘上留 用。这就大大提高了工作效窭和降低了劳动强度，必要畦甚至可以实现无 人操作。计算机控制还可以通过数字接口很容易地实现几台调音台联网， 增加输入输出路数和处理能力。还可以高精度地和外部数字编辑系统联接， 实现受控工作m 1 。 利用软件可阻不断提高性能 模拟调音台全部由硬体缎成，数字调音台则有硬件和软件两个方面支 持。即锼调音台在用户购买器，它的功能和指标仍然可以通过更换新的软搏 来改进耜提i 蘸。 高度集成化、结构紧凑、体积小 数字调音台不像模拟调音台那样需耍一个通道对应一个输入输出模块， 可以采用“调出”的办法，可以最大限度地减少条块和推子的数量，内部的 商度集成化煮利于缩小体积。与同样规模的模拟调音台相滗，体积可以小 缀多。便予携带终出，大型寮内建调誊台减小尺寸还有零j 于控制室声场条 件的改蒋。 在现实中，很多调音台实际上是模拟与数字相结合的产物。也就是说信号流 程是模拟的，但控制则是数字化的，而且保留了模拟调音台的操作界面。 浙江大学硕士学位论文 1 3 数字音频网络传输技术和网络音频处理器 1 3 1 数字音频网络传输技术的产生 音频的网络传输是近几年出现在音频传输领域的一项新技术，它的发展历 史尚不足5 年数字音频网络传输系统是数字音频技术与计算机网络技术的结 合。 由于传声器、音箱和功放等模拟设备的存在，模拟信号在传输中损失和电 磁干扰是无法避免的。尤其在大型的音频系统，比如大型体育场馆的声频系统， 模拟信号远距离传输所带来的损失已经构成十分严重的问题。在众多的音频模拟 设备之间需要敷设数目巨大且距离很长的音频屏蔽电缆。这些线缆铺设非常的复 杂，很难解决电磁干扰和传输损耗的各种问题“”。 近些年，随着网络技术的飞速发展，网络不仅已经渗透到现代生活的各个 角落，它所能传递的信息包罗万象，广泛用于音视频、灯光控制、保安监控、演 出进程控制等众多领域“”。网络技术被引入到声频技术领域，开发出由音频数 字化传输网络，能够很好的解决上述电磁干扰和传输损耗的等问题，音频数字化 传输网络最关键的地方就是把低电平、多通道、长距离的模拟信号传输转换为数 字信号传输1 。 1 3 2 数字音频传输网络和模拟系统的比较 数字音频网络克服了模拟系统的众多局限性。 在模拟音频系统中，音频信号通常按照专用的路径运行，每一个音频轨道都 要与一条音频电缆相连。在多房间和长距离的安装过程中，音频设备往往需要通 过矩阵交换、分布式放大器和接线板连接在一起。对音频内容的管理和监控，以 及对系统设备的控制也需要附加硬件设备和电缆。而且在模拟系统中，系统的重 新配置是一个复杂而耗时的过程。如果系统安装完成后出现任何问题，往往需要 繁复的检查和重新连接电缆。所有这些无疑都将增加成本”1 。 用数字音频网络技术来传输信号能带来众多的好处，比如在一根电缆上能传 输多路信号、系统组织可以非常灵活、系统的冗余安全性和容错方案很容易实现、 鞭菠大学硬士学垃论文 可随时对信号的路由进行动态调整以及可以实时监控系统中任意信号的状况等 等。在一个音频网络中，一撤5 类双绞线( 办公室中使用的普通网线) 或者一根光 缆可以取代模 薹l 系统中无数根音凝电缆，两羹鼹线中还可以增夯羹遥控幂n 监控信 息。由予网络系统中实麟霈要铺设的线缆大大减少，线槽妁尺寸也霹以隧之减小， 线缆铺设所花费的人工和时间也就大大减少和降低。另外由予光缆对于务种电磁 干扰和射频干扰具有天生的免疫特性，所以整个系统的调试和维护也变得更为简 便1 ”。 总而言之，数字音频网络可以更低的价格提供更大程度豹可靠性和灵活性。 1 3 3 网络音频处理器的兴起 网络音频处理器是近些年刚兴起的新型音频处理设备，是伴随着数字音频网 络传输技术 丽产生豹，楚数字罾频处理器( 数字调音台) 技术和数字音频网络传输 技术结合的产物。 网络数字音频处理器最关键的特点是它的结构设计采用了硬件与软件相结 合的模式。这是声频技术与计算机技术相互结合、共同发展的成果。 在音频系统安装调试阶段，将一台微机与处理器的通信接口相连接，通过专 雨控嗣软件的运行，即可把处理嚣所具备的均衡、滤波、压缩、分频等各种模块， 按照设计要求放嚣毯屏幕上，组成需要设计的一个完整系统“”。在怼枫上调校 各个功轭模块的相关参数，如电子分频器的分频点，衰减率参数均餐器的中心频 率和提升量以及调音台面板务键的位置等，都可以实现“可视化”的调整。整个 系统调校完毕即可脱离计算机独立运行，而所有的设置和参数都不会被无关人员 随意变更或丢失，从而确保熬个系统的长期稳定和可靠运行1 。 目前的有些网络音频处理器可以全部代替传统专业扩声系统中几乎所有信 号处理设备，包括图示均衡器、参量均衡器、效果处理器、陷波器、延时器、压 缭嚣、限蟮器、分频嚣以及扬声器系统控制器调酱台的动能“”。 1 3 4 网络音频处理器的优点 出网络数字音频处理器缀成的数字化啻频系统，比传统的模拟扩声系统或由 部分单台数字设备组成的扩声系统，有以下突出优点“1 ： 6 潺注大学硕士学位论文 出色的音频矩阵处理功能和灵活的扩展功能，能够充分满足极其复杂 的大型扩声系统骢需求。 不论是在系统的设计过程或是在系统投入运行之后，可以方便地对已 设定的某些参数进行修改调整，或对某些周边器材增减更换。各项功能和参 数一鼠设定，就不需要捏心会装无关入员搐鼠。 网络音频处理器极大地简化安装工艺、降低系统的故障率，节省安装 空间。整个信号流程均以数字方式处理，避免了由多次a d ，d a 转换带来 豹弊漆，经得整个系统各项参数麴调节精度和调节范弱宽度及绩嚷比、失真 度和动态范围等性能指标均好予摸拟系统“”。 可进行“工作模式”的预置，特别适用于多用途多功能的声频系统。 1 4 基于c o b r a n e t 的网络音频处理器 1 4 。lc o b r 硝e t 声频网络技术 美国p e a k a u d i o 公司开发的c o b r a n e t 声频网络技术是一个软件、硬件和 网络技术扔议相结合的声频信号的传输网络，在1 0 0 弧址的快速互联网上实时魄 发送和接收商质量豹数字化了的多掰声频电信号。 c o b r a n e t 是一项专利技术，它i 驻过标准的以太网硬件和媒介传输未经服缩 的数字音频信号。c o b r 枨e t 允许设计者剑建大型网络结构来实现数以千路的数 字音频信号在以太网上传输。通过c o b r a n e t ，大型项目中设计复杂管线新产生 的麻烦就一笔勾销了啪。 c o b r a n e t 很好的利用以太网解决了音频信号远距离传输难题，利用l 根单 模光纤可以把超过5 0 0 路的音频信号传输到凡十公里以外。 c o b r a n e t 以其良好的互通性、低成本的造价、可靠性、稳定性、可遇见的发 展速度耧良好的商业逡作极制迅速的占领了这一甫场，自从p e a k a u d i o 公司发布 第一块e o b r a n e t 模块以来，到现在为止，得到了包括p e a v e y 、c r e s t a u d i o 、 q s c 、c r o w n 、b o s e 、b o s c h 、y a m a h a 、e a 等超过四十家国际流音频设备公司 的支持，c o b r a n e t 技术是未来网络警频的发展方向和行业标准”1 。 c o b r a n e t 采用基予标准的l o o m b 高速戬太网( 1 0 0 b a s e t x 或1 0 0 b a s e f x ) ， 7 浙江大学硕士学位论文 比超其它专用系统有以下优点：以太网怒被全球公认的潮络标准。工业标准的网 络配件都可直接使用交换机、五类线及光纤；胡标准网络连线或者是增加交 换机就霹以方便扩大系统：震s n 鲢p 标准镑议的网络控制工具用来分手厅网络操作； 星型结构可选用具有i e e e 8 0 2 3 a d 链路聚合功能的交换机做鹰频网络的冗 余备份；环型结构允许重复连接网络通道，当网络交通出现问题时，可以由 交换机自动选择另外一条网络通道”1 。 1 4 2 基手e o b r 鞠e t 的网络音频处理器 c o b r a n e t 技术实现了声频信号的实时的多路分配和传输，但却没有音频处 理的功能。 论文设计一；盼蓥于c o b r a n e t 弼络的专业数字音频处理器方案该网络音频 处理器霹以对来自网络终端的音频实现了诸如放大，滤波，均衡，混夸等专业啻 频处理，丽不必象传统的啻频处理器那样处理器与被处理终端必须在一个房间 中，实现了声音的采集和处理的分离，其有极高的灵活性。 由于整个音频进程都在数字域中实现，因此避开了a d 和d a 转换器件的指 标限制。 濒程夫学硕士学位论文 2 1 音频数字化 第二章数字音频处理 在介绍音频信号的数字化前，先介绍2 个重要概念： 分贝( d b ) ：电声专业中一般是用电平来表示声音信号的大小，电平( d b ) 本 身只是一个比值，不含量纲，在专业领域常见的电平表示有d b u 、d b 璃、d b f s 等。 如：声音信母电平( d b u ) = 2 0 1 9 ( 声音信号电压校准电征) 。 频率( h z ) ：人们能感知豹声音砉窝。男性语音为1 8 0 h z ，女性歌声为6 0 0 z ， 钢琴上c 调至a 调阀为4 4 0 h z ，人耳能够感知的最岗声音频率为2 0 k h 音频数字化就是将模拟的( 连续的) 声音波形数字化( 离散化) ，以便利用数 字计算机进行处理的过程，主要参数包括采样频率( s a m p l er a t e ) 和采样数位 采样精度( q u a n t i z i n g ，也称量化级) 两个方面，这二卷决定了数字化费频的质 量。 采样频率是对声素波形每秒钟进采样戆次数。报据这种采样方法，采样频 率是自b 够再现声啻频率的一倍。人耳听觉的频率上限在2 0 k h z 左右，为了保诞声 音不失真，采样频率应在4 0 k h z 左右。经常使用的采样频率有1 1 0 2 5 k h z 、 2 2 0 5 k h z 和4 4 1 k h z 等等。采样频率越高，声音失真越小、音频数据量越大。 采样数位是每个采样点的振幅动态响应数据范围，经常采用的有8 位、1 2 位，1 6 彼，2 4 位。例如，8 位量纯级表示每个采样点可以表示2 5 6 个( o 一2 5 5 ) 不同量纯值， 雨1 6 位量化级别霹表示6 5 5 3 6 个不弼量纯值。采样量化位数越高音质越好，数 握量也越大。如图2 1 图2 1 量化级和量化值的关系“ 无论使用多么高的采样精度数位，记录的数字跟实际的信号大小总是有 误差，因此数字化无法完全记录原始信号。这个数字化所造成失真被称为量化失 真。 浙江犬学硕士学位论文 音频数字化最常见的方式是通过脉冲编码调制p c m ( p u l s ec o d e 艟o d u l a t i o n ) 。 反浃音频数字佑质最的另一个因素是通道( 或声道) 个数。记录声音时，如果 每次生成一个声波数据，稳为单声道；每次生成二个声波数据，称为立体声( 双 声道) 立体声更能反映人的听觉感受。 2 2 基本的音频处理 2 。2 。l 音量控制 音量控制( v 0 1 u m ec o n t r 0 1 ) 也就是增益调节是最简单的的音频处理，只需要 将采样豹值乘以一个增益系数貔可班了，毽怒要敬意上下溢出，饱和度 ( s a t u r a t i o n ) 和量化噪声( q u a n t i z a t i o nn o i s ee f f e c t s ) 。 2 2 2 多通道混合 多通道混合国i x i n gm u l t i p l ea u 出os i g n a lc h a n n e l s ) 其实就是每个i 霞道 的音频先乘以个常数，然后累加。实现公式如下 y 0 ) 一c l 鼍0 ) + c 一2 ) + + c h o ) 例如用户想将将多通道平均，其公式 1 y o ) 。亩k o ) + x ：o ) + 玛o ) + ”讯o ) 】 因为d s p 的算术逻辑单元( a l u ) 的乘加结构m a c ，多通道混合的实现也是很方 便的，但是要注意不要溢出。 1 0 浙江大学硕士学位论文 2 3 基于滤波器的音频处理 2 3 1 滤波器 2 。3 。1 1 滤波器分类 经典滤波器从功能上说主要有四种类型“”： 低通滤波器( 1 。即a s s ) ，它的蠲途是使低子某个特定频率豹信号全帮透过， 面澍高予此频枣的成分予以衰减，其中这个特定的频率称之为截止频率( c u t o f f f r e q u e n c y ) ； 高通滤波器( h i 曲p a s s ) ，它的用途是使高于截止频率的信号全部通过， 而对低于此频率的成分予以衰减； 带通滤波器( b a n d p a g s ) ，它的用途是提升菜一特定频率附近的信号，而 忽略过裔和过低的频率藏分，其中这个特定的频率称之为中心频率( c e n t e r f r e q u e n c y ) ； 带阻滤波器( b a n d p s t o p ) ，它的用途是衰减中心频率附近的信号，而忽略 过高和过低的频率成分。 带通和带阻滤波器可以进行作用的频率范围被称为带宽( b a n d w i d t h ) 。 滤波器又分为模拟滤波器( a f ) 和数字滤波器( h f ) 。与模拟滤波器相比数字 滤波器具有以下特点： 数字滤波器除诧之外占用一定豹程序空闽外，不需要额外的硬件电路。 d f 抗干扰能力强，滤波特性一般不受外界环境如温度湿度等的影响，没露模 拟电路的元器件老化问题。 滤波特性一致蚀好模拟器件如r l c 等的精度一般很难做高，而d f 的精度由字长 决定若用l o 位字长精度便可达0 1 ，如要进一步提高精度只需增加字长即可。 d f 可工作于极低频率也是可实现，a f 难阻实现的线性相位系统。 通过编程可敷随时修改滤波器的特性，设计灵活性较高。 两托犬学硕士学位论文 2 3 1 2 数字滤波器实现 滤波器又分为模拟滤波器( a f ) 和数字滤波器( h f ) ，在数字静频处理器中当然 采用数字滤波器。 数字滤波器，从实现方法上又分为i i r 滤波嚣和f i r 滤波器。 ii r 的滤波器的转移函数为爿。) ；毒：二 “荟啦。 9 1 8 滤波器的转移函数为h ( ：) 。篆“( n ) z ” 这两种滤波器在性能还是设计方法上都有很大区羽，比较如下： ( 1 ) 相同幅频特性下，i i rd f 的滤波阶次要比f i rd f - 低5 。1 0 倍，响应速度 快。 ( 2 ) f i rd f 可以实现严格的线悭相位滤波器，丽i i r 睇则缀难实现，怠带宽 愈窄其相位的非线性越严重。 ( 3 ) 采用非递归结构的f i rd f 绝对稳定，i i rd f 由于存在极点，肯定要采周 递归结构，可能因数值误差等因素导致系统的不稳定。 2 3 。1 3i i r 数字滤波器的结构选择 由于i i r 滤波器可以模仿大多数的模拟滤波器的响应，弗且对于给定的响 应，与f i r 滤波器相比，对存储空间的要求少的多，因此在数字音频处理中通常 采用i i r 数字滤波嚣。 i i r 滤波器结构分为直接形式，级联形式，并联形式。最常用的是级联形式。 级联形式具有优点m 1 ： 硬律实现时，可班用一个二除繁进行辩分复用。 每个基本节系数变化只影响该予系统的零极点。 对系数变化的敏感度小，受有限字长的影响比直接型低。 1 2 潺江丈学硕士学位论文 级联形式将滤波耩系统函数。) ；鬈翼竺：兰：! ! 娶! ：竺：! ：! 酽啊z 。1 ) ( i + 岛，。帆z 。) 的分予和分母分解为阶和二阶实系数因子之积的形式。 胃。，- 爿叁 葛嚣一爿蠡q c z ， 然后磷戡务二阶基本节( 誉搿) 的壹接型结构，褥将它们级联。 可七】 rr ! 一! r z l 口l l 1 一声：1 !t 啦，： rrr 一 jc 一艮1 r z lj l i 。d 配 1 。 一 jl 一芦苴 一嘞。： l 图2 2 基于嶷接i i 型的级联型结构 级联形式分为基于壹接 i 型的级联黧结构( 图2 。2 ) 和基予转置直接i i 塑的级 联型结构( 图2 3 ) x 噼l7 r 一 1r - z 一照，1 f 啦l j 1r 啦! jlz 一声2 1 鞫2 3 基于转鬣壹接l i 型的级联墼结构 2 。3 2 参数滤波器的实现 y 【七】 参数滤波嚣由于能放大或者袭减特定频率部分的声音，因此在音频产娩盟广 泛应用。传统上参数滤波器应由模拟滤波器实现，但是用数字滤波器实现也很方 便。 参数滤波器分为w 分为两类，即提升滤波器( b o o s t i n gf i l t e r ) 和削减滤波 器( c u t t j n gf i l t e r ) 所谓提升滤波器就是将带遇滤波器的中心频率的幅度加以 提高，葳之拣为剃减滤波器。 参数滤波器通常由一个2 阶的i i r 滤波器实现。在知道滤波器的中心频率，带 浙江犬学碳士学位论文 宽和增益的情况下，根据以下公式可以得出滤波器的系统函数 一! 笺塑鐾竺鲨竺 t z 错) z _ 1 + 糕) z _ 2 参数说明； 中心频率 g 在中心频率。的增益 g 口 参考增益 ( - ) 带宽 瓯 在距离中心频率。盼竽带宽处的近似增益 2 3 3 均衡处理 2 3 3 1 均衡器 均衡器可以用于增强或是减弱某一频段上的信号，以达到改变音色的强的。 增强或是减弱的多少是恁分贝( d b ) 泉衡量的。均衡器可良为佟把莱一种音色中 的某一种令人讨厌的谐波成分减低，同时还可以避免最终混音中各种声音之间发 生冲突。假设你在人声演唱的后面使用了一架节奏钢琴，由于钢琴和人声是农同 一个频段内，于是就发生了冲突。这时豹解决办法是：降低钢琴声音在中频段的 成分，将该频段让给人声。 目前市场存在许多种均衡器，蒜至在功能最弱的混音器上都可以见至i 。这时 通常都燕对截止频率以上或是以下的信号进行提手 或减低的商遥和低通均衡器。 截止频率有可能是可调攘的，也可能是固定的。 1 4 浙江大学颈士学位论文 2 。3 2 2 音调控制 音调控制是最简单的均衡，常见于大多数立体声系统中。它提供了一种简单 的方法让声音来适应你的品味。经常那些看见低音( b a s s ) 和高音( t r e b l e ) 旋锂。这些其实都是溺来控翱一静特殊的皱型滤波器( s h e l v i n gf i l t e r ) 。 l o w p a s ss h e l v i n gf i l t e ff r e q u e n c y n g h p a s ss h e l v l n gf i l t e rf r e q u e n 叫 一歹纩二= 二卅c u t 图2 4 低通坡型滤波器高通坡型滤波器 坡型滤波器分为低通坡型滤波器和高通坡型滤波器，频率响应如图2 4 。用 户可班设嚣切除频率( c u t o f ff r e q u e n e y ) ，提升( b o o s t ) 和削减( c u t ) 系数，来 得到不同的效果。 2 。3 。3 。3 图示均衡 图示均衡器( g r a p h i ce q u a l i z e r ) 是使用较多的一种均衡器，分3 段至3 1 段不等，由于能从设备嚣扳上壹双邈看出均衡的频晌洼线丽b q 傲图示示均衡器。 如图2 5 图示均衡器的实现是使用大量的带通滤波器将音频信号的频谱分成许多段， 这样就霹以对各个频段分剃进行调熬。如图2 6 圈2 5 图示均鬻嚣覆板嗣频晌益线“” 塑垩查兰堡主堂垡笙苎 输入 2 3 3 4 参数均衡 一千 一7 书+ 一。 一 图2 6 图示均衡器的实现 输出 参量均衡器( p a r a j e t r i ce q u a l i z e r ) ，它是一种功能非凡的音调调节形式。 不同于图形均衡器的只能对相对固定的频段进行提升和降低，参量均衡器可以对 全频段上的任何一个频率进行操作。 在参量均衡器中，带宽的值是可变的，从宽到窄均可以( 参见图2 4 ) 。注意 还有一种准参量均衡器( 有时也称为半参量均衡器) ，它与参量均衡器的区别在 于只有中心频率和提升、衰减的控制，而不能对带宽进行调节。 参量均衡器的重要的参数”： 频率( f r e q u e n c y ) 参数：设定了你要对声音频带中进行均衡的具体频 段。 提升( b o o s t ) 和衰减( c u t ) 参数：决定了你要对选定频段进行提升或是 衰减的程度。 带宽，共振或是q 值参数：这个参数决定了提升或是衰减曲线是窄而尖还 是宽而平缓。较窄的带宽设置( 即较高的共振或是q 值) 使得均衡器只能对非常 窄的一个音频段进行操作，而较宽的设定值则可以对较宽的音频段进行操作。 ，丫，千一 浙江大学硕士学位论文 音频领域频率坐标是非线性的。在频率坐标如果频率为2 ：1 的声音频率间 隔，称为倍频程。如果在两个相距为一个倍频程的频率之间，一次相差1 3 个倍 频程，称为1 3 倍频程。在本音频处理器中就是采用1 3 倍频程“”。 在音频参数均衡处理领域用的是倍频域参数滤波器，这与普通的参数滤波器 倍频域参数滤波器分为峰值型滤波器( p e a kf i l t e r ) 和陷波型滤波器 倍频域参数滤波器的系统函数5 1 h f z ) ：堡型茎2 二三竺墅b 望：! ! 垡二! 型丝坚： ( 1 + 扫以咖( q o ) 纩1 + ( 1 一意万2 她卑晰志) s i n ( q 。) 渐江大学硕士学位论文 2 4 基于延时的音频处理 时间延时效果可以产生回旋，网声，合唱，延时，立体声模拟( s t e r e o s i m u l a t i o n ) 等许多种效果。有些音频处理设备为每一种效果设定了一种独立的 效暴算法，西另井一魑则只是提供了缀简单豹孵闻延辩效果，然后对其进行改变 来实现各种不同的效果。相位( p h r a s i n g ) 、阐旋和合唱是由很短的延时时间而 产生的，因此你不会觉得它们与延时效果有过多的相似之处。缀然如此，延时效 果毕竟述是这些效莱中最最基本的。 在继续说明延时的算法之前，先介绍一些重要的参数“”： 初始延时( i n i t i a ld e l a y ) 参数：设定了延时的时间。在回声效果中， 这个参数决定了直接声与第一声回声之阀的时闻闺隔。在霾旋弱合疆效果中，调 制参数控制了初始的延时时间。 平衡( b a l a n c e ) 、混音( m i x ) 和混合( b l e n d ) 参数：这个参数调整了直 接声与延豺声音之阉瓣平衡关系。瓤莱你将一个食疆算法设定为l 的进度( 帮 全部通过效果器) ，那么你将听不到任何合唱效粜，其原因是仓唱效果是通过一 个细微的膏高偏置来产生的，而这种细微的音奇偏置是由”干信号( 即不通过效 栗器) 和经过延时调制的信号共同慰成豹。霹使孝音受摇丰瀵的合唱效果算法使 用了若干个延时，因此你将在平衡为1 0 0 时，依然可以听到效果声。 反馈( f e e d b a c k ) 、再循环( r e c i r c u l a t i o n ) 或是再发生( r e g e n e r a t i o n ) 参数：这个参数决定了从输出端返睡到输入端信号量篷的多少。在嚣声效祭中， 最小的反馈量提供了种单一的回声；而较大的反馈量值则增大了回声的效果。 在回旋效果中，增大反馈量会使效果变得尖利，这与增大滤波器的共振参数十分 类似。 扫描范围( s i o e pr a n g e ) 、调制量( m o d u l a t i o n ) 或是深度( d e b t h ) 参 数：决定了使用多少调制量( 有时也称之为低频振荡或是扫描) 来使得延时时间 产生变化。傍如，一个延对效果具有2 ：l 韵扫搂藏箍，那么裁可以扫描超过2 ： 1 的时间间隔( 例如5 耀秒到1 0 毫秒，或是1 0 0 毫秒到2 0 0 毫秒) 。一个较宽的 扫描时间对于生动的回旋效果来说是最最重要的了：合唱和回声效果则不需要过 多豹| 扫攒范壅。在使用较长豹延孵隧闻的效果时，应在合噶中增热一点诞制，但 是太多的调制量将会导致不和谐的效果。许多回声效果( 长延时) 算法都是基于 】8 浙江大学硕士学垃论文 现在的效果器硬件设备来建立的，它们没有调制参数。 调剖类型( m o d u l a t i o nt y p e ) 参数：调割通常用于属期牲豹波形，搠知 三角波或是方波，但是一些设备包括了随机波形和包络( 可以用于调制输入信号 的动态范围) 。 调剩率( m o d u l 戤i o nr a t e ) 参数：设定了可调豢l 低频振荡器的速度。典 型的速率范围是从0 1h z ( 即每1 0 秒钟一个循环) 到2 0h z 。作为最标准的合 唱效果，通常是使用2h z 或是更低的频率；较高的速率则用于一些不大常用的 效果。在咽旋和合唱效粱中，调制等致了被调青l 信号的啻高交褥比较单调，并且 将其返硝到原始的声膏( 音高比较尖锐) 中，不断地进行循环。 2 。4 。l 隧音和多推延迟处理 2 4 1 1 回声效果 圜声，顾名穗义是指声音发出后经过一定的时问再返回被人嘶到 ( 例如声音遇到墙的阻挡，图2 5 ) ，在很多影视剪辑、配音中广泛采 用。 潮声效果( e e h o ) 是将输入信号录制到数字化的内存中，然后经过一段短 暂的时间之后再将其读出来。将输出信号的一部分反馈回输入端，使之再进入 到延时的循环中去，于是得到一种重复的回声效暴。( 实现如图2 6 ) 韩辨”墼目”朗舯_ 岬，t _ 睾删砖 d 翔h 蜘w 曲 器忠=一嚣：黑 图2 5 1 9 卜r酞主幺醛心睡鼢 浙江大学硕士学位论文 x 0 )y ) x 印) 图2 6 回声效果的实现 回声效果的差分方程为y 0 ) = x ( n ) + 甜印一d ) 回声效果的系统传输函数为科( z ) ；1 + 4 z 。 当然也可以减去延迟，达到消声的目的，方程为y ( n ) * 一0 ) 一甜d ) 自动双磁道效果和出餐回声延时效聚氇是基于回声辨常见音颓处理效果算法“。 自动双磁道效果( a d t ，a u t o m a t i cd o u b l et r a c k i n g ) 通过对信号 的快速薰复以产生类似双吉他同时演奏的电子效果。实现如图2 7 。图中的延迟 逶常在l o 一3 0 毫秒。 单声 x 0 ) y 。0 ) 儿0 ) 匿2 ? 蜜动双磁道效果“订 山谷回声延时( 耐印6 甜寿& 卉模拟山谷中的中的回声。实现如图2 8 ，图 中的延迟通常在1 0 一3 0 毫秒。 # 阳) 单声道输 图2 8 山谷回声延时的实现 2 0 卜一，扣) ”粥舭 澎江大学硕士学位论文 2 4 1 2 多拍延迟处理 多拍延迟( m u l t i t a pd e l a y ) 是模拟声音的多次反射，拿5 拍延迟来为例： 5 拍延迟差分方程 y ( 撑) 盎茗( 拜) + 叩积一d 1 ) + 8 2 毒( ，霉一d 2 ) + 8 3 x ( n d 3 ) + 拉 并( 雄一线) + 露5 x ( 露一织) 传输函数方程 h ( z ) = 1 + 口l z d 1 + 露2 z d 2 + a 3 z 一珐+ 露4 z d 4 + 8 5 z 5 拍延迟处理的冲击响应和实现如图2 9 和图2 1 0 所示 h i n l 砷z ) 0d2 03 d4 05 d 翔鏊2 95 拍延迟处理豹滓击嚷墩 n 图2 1 05 拍延迟处理实现框图 2 。4 2 延时调制效果 y 延时调制效果( d e l a ym o d u l a t i o ne f f e c t s ) 就是使用调制( m o d u l a “o n ) 参数一手孛在某一孪荸定蠡嚣肉进行延时对闽变亿的参数，来溺来制造一种缀 羽0 1 型l 专卜扩 寸 。动， 托4 一 甲淳廿 牛囊一 一 ” 一甲嘻廿 濒涯大学碗学链论文 活泼的变化效果一延时时间在最大值和最小值之间不断地来回变化。 2 4 2 。1 颤音( v i b r a t o ) 颤音效果就是由信号音高进行波动调制形成构。 颤音很容易帮振音( 行e m 0 1 0 ) 混淆，v i b r a t o 变亿的是音高( 频率) ，琵颤音 不同的地方是，振音以溜定纛反覆豹型态来变佬音量( 振揠) 面不是音赢。 颤啻效果可以通过正弦低平振荡器( l f o ) 调制延时线的长度来实现( 如图 2 1 1 ) 。延时z 一”是周期性改变的延时d ( n ) 。 i ”o 也刿 荆一二卜p 州 图2 1 1 颤音效柒的实现“ 2 4 2 2 捆颤齑( f 1 a n g e r ) 从声学的角度来看，相颤音和颤音有天壤之别。原先在高级信号处理技术发 明之前，相颤音是逶过将2 部播放相阊内容的磁带视的声音混合来生成的。操作 麓逶遮按住供给轮鲍边缘来调制其中一台机器的速度：卷音效果豹名字也由j 鞋：缮 来。 相颤音的效果是通过将信号和其自身的延迟相混合来扰乱耳朵的时间相关 机理。延迟是动态调制的，但总是在听觉系统的综合常数以内。 信号和自身的延迟相加使网络的响应呈梳状。通过调制延迟长度，相颤音信 号的频谱上出现时交的梳状响应( 图2 1 2 ) 。 浙江大学硕士学位论文 f f e 遵u c y新守q 船n c y 图2 1 2 相颤音信号的频率响应 从实现的角度来看，相颤音和颤鬻不完全相同，多加了一个前项通道和输出加 法器。鞠颤音通过屑麓性改交的延时d ( n ) 来制造。 x o ) y ( 阼) 如巨2 1 3 颤啻的实现 通过d s p 的正弦低频振荡器的波形查找表可以计算出时间延时的改变。 芷弦低频振荡器频率通过扫频律( s w e e pr a t e ) 参数改变( 图2 1 4 ) 。d s p 片上可编程定时器决定延时的周麓性更薪。另一个控制参数是扫频深度( s 释e e p d e p t h ) ，它决定了延时改变的最大幅度。 圈2 1 4 相颤音的差分方程y ( n ) = 工( n ) + 麟伽一d ( n ) ) 其中矗= 罢氍s 澎) 】 人昕相颤音时并没有回声的感觉，因为延时非常短( 通常卜1 0 毫秒) 。 o口童叠箸葛。口暑葛鬻苫 妻oq高荨h 浙江大学硕士学位论文 只有延时大于5 0 一7 0 毫秒时，人的耳朵才能感觉回声。 2 4 2 3 和声 图2 1 5 棚颤音的频落鳖“” 翻声 c h o r u s ) 效果藐绘入多声源同孵发声豹感觉，傻声音富有层次感。单 声道输入信号送入几个平行的调制延迟线，输出再和输入信号相加。每条输入延 迟线使用的调制速率和深度都不一样，使得输入信号不同的“调制拷贝”能够得 到轻疲豹去耱关，从两模拟出了在囊实演鲞中多个乐器间黠演如对音调帮节拍在 自然轻微的不一致“。 延迟线必须用随机信号调制，这有助于进一步将声源去相关，对于不同的输 整，还霹以鸯硅上个小幅的随梳骥度调制，嚣的时模拟多声源揍提下的瞬润灞强 和减弱。 3 和声的差分方程y 0 ) = 口一0 ) + 口：工0 一盔0 ) ) + 口o d ：o ) ) 1 为了；滴止信号穗加时溢出，通常口，= 4 ：一屯一言 j 和声的实现和频谱如图2 1 6 和图2 1 7 浙江大学硕士学位论文 z 加) 图2 1 6和声的实现 i r 咐u ts 轴n l f n ) 2 4 2 4 音高转换器 y 加) 音高转换器( p i t c hs h i f t e r ) 用于合成输入信号中的个或是多个和声。 简单的音高转换器只局限于对相似的谐音进行转换，而一个功能全面的音调转换 器却可以”智能”地生成出一些谐波，只要你指定一个调和一种模式( 如大调，小 调等) 即可。 音高转换器和颤音以及和声的不同主要调制信号的不同，音高转换器使用锯 浙巍失学硕士学位论文 齿波低频振荡器( s a w t o o t h ) 进行调制( 如图2 1 8 锯齿波) 。具体实现如图 2 1 9 。 s a w t o o t hr e v e r s es a w t o o t h x 白) 图2 。1 8 锯逸波 图2 1 9 音高转换器的实现 而双声音高转换器技术有所不通，需要运用软切换( c r o s sf a d e ) 技术。 软切换技术用于使输出能在嚣个延迟线上蠡囊切换，焉不溢出。双声音赢转换 器的实现如图2 2 0 。 鲋伽一d 加n 图2 2 0 双声音高转换器的实现 浙江大学硕士学位论文 2 4 2 5 音高微调 音高微调( d e t u n ee f f e