带阻滤波及均衡器.doc

基于MATLAB与VC混合编程的数字均衡器设计1(转）2009-08-27 11:401概述随着数字化技术的快速、深入发展,人们对数字化电子产品所产生的图像、图形以及声音等质量的要求越来越高。在实时数字处理过程中，与D/A和A/D转换相关的模拟信号重构过程是决定数字系统输出质量的关键1。在声音的拾取过程及通过音响设备的传送过程中，由于设备或器件的原因，其幅度对频率的响应往往不一致，这样就达不到原来的听觉效果，而均衡器就是一个改变放大器频率响应的设备。一个好的均衡器能起到以下几个方面的作用：(1)能校正音频设备所产生的频率失真；(2)校正由于建筑学共振性的不均匀所带来的传输增益的频率失真；(3)调整某些易反馈的频率成分，抑制声反馈，提高会场增益；(4)在艺术创作中，利用它来刻画演员和乐器的音色修改，提高艺术效果。现有的许多播放器都具有均衡器的功能，如Winamp(如图 1所示)等。图1 Winamp的均衡器MATLAB是一个数据分析和处理功能十分强大的工程实用软件，他的滤波器设计工具箱为实现声音信号的数字滤波提供了十分方便的函数和命令，但MATLAB的计算速度慢。Visual C+是Windows平台下主要的应用程序开发环境之一，它能方便实现软件开发，开发的系统具有执行速度快等优点，故MATLAB与VC的混合编程正好结合了MATLAB强大的工具箱与VC很快的执行速度。本文将给出基于MATLAB与VC混合编程的数字均衡器的设计方法，功能包括：(1)WAV声音信号获取，即从文件(*.wav，*.au等)读取音频信息；(2)八段数字均衡器设定，具体按照表 1中的频段，其中前两个频段合并在一起；(3)滤波，包括生成低通、高通、带通、带阻的巴特沃斯、切比雪夫滤波器，并显示滤波器的频率特征曲线；(4)保存，保存滤波后的音频信息到文件；(5)播放，播放滤后音频信号并实时显示波形及频谱特性。表1频率的音感特征3060Hz沉闷如没有相当大的响度，人耳很难感觉。60100Hz沉重80Hz附近能产生极强的“重感”效果，响度很高也不会给人舒服的感觉，可给人以强烈的刺激作用。100200Hz丰满 200500Hz力度易引起嗡嗡声的烦闷心理。5001KHz明朗800Hz附近如提升10dB，会明显产生一种嘈杂感，狭窄感。1K2KHz透亮2800Kz附近明亮感关系最大。2K4Kz尖锐6800Hz形成尖啸，锐利的感觉。4K8Kz清脆3400Hz易引起听觉疲劳。8K16Kz纤细7.5KHz音感清彻纤细。3060Hz沉闷如没有相当大的响度，人耳很难感觉。 2设计原理2.1数字滤波器2.1.1 数字滤波器的原理简介数 字滤波器的功能是把输入序列通过一定的运算，变换成输出序列。数字滤波器一般可用两种方法实现：一种是根据描述数字滤波器的数学模型或信号流程图，用数字 硬件构成专用的数字信号处理机，即硬件方式；另一种是编写滤波器运算程序，在计算机上运行，即软件方式。考虑到软件的灵活性及易于实现，本文采用软件方式 实现数字滤波器。数字滤波器有无限冲激响应(IIR)和有限冲激响应(FIR)两种。下面分别介绍：(1) IIR滤波器IIR滤波器的特点是：单位冲激响应h(n)是无限长的；系统函数H(z)在有限长Z平面（0<|Z|<)有极点存在；结构上存在输出到输入的反馈，也即结构上是递归型的；因果稳定的IIR滤波器其全部极点一定在单位圆内。其系统函数为 (1) 计算机上实现时则需要用到差分方程的形式，如下 (2) IIR滤波器有四种基本的网络结构(具体参看文献3)，直接I型、直接II型、级联型与并联型。其中直接I型需要2N个延迟单元，而直接II型只需要N个延迟单元。因此，用软件实现时，直接II型少占用存储单元。级联型则是将N阶IIR系统函数分解成二阶因式连乘积，并联型则是将系统函数化成部分分式之和，则可得到IIR数字滤波器的并联结构。(2) FIR滤波器IIR滤波器的特点是：系统的单位冲激响应h(n)是个有限长序列；系统函数|H(z)|在|z|>0处收敛，极点全部在z=0处(即FIR一定为稳定系统)；结构上主要是非递归结构，没有输出到输入反馈。但有些结构中（例如频率抽样结构）也包含有反馈的递归部分。其系统函数的一般形式为 (3) 对应的差分方程为 (4) FIR系统的基本结构有直接型、级联型、快速卷积型、频率取样型等。