音效处理中均衡效果的算法研究及实现毕业设计论文.doc
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1、重庆大学本科学生毕业设计(论文)音效处理中均衡效果的算法研究及实现学 生:谢增添学 号:20114791指导教师:林英撑专 业:通信工程重庆大学通信工程学院二O一五年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of the Audio EqualizersUndergraduate: Xie ZengtianStudent Number: 20114791Supervisor: Lin YingchengMajor: Communication EngineeringCommunication EngineeringCho
2、ngqing UniversityJune 2015重庆大学本科学生毕业设计(论文) 中文摘要摘 要随着人们生活水平的不断提高以及信息产业的蓬勃发展,信息数字化时代早已悄然到来,音频信号的数字化已经是一个重要的研究方向。一方面人们对音乐的追求越来越高,音乐的风格形式也越来越多元化,而另一方面,由于音效处理的核心技术发展的比较缓慢,国产的家庭影院和卡拉OK等音效产品难以推陈出新。本文正是在这样的背景下,对音效产品中作为核心效果之一的均衡处理部分进行了研究。首先,本文介绍了均衡器的起源、发展历史以及现状,并从一般数字滤波器的设计方法入手,逐步研究和分析了基于巴特沃斯原型的数字滤波器的设计方法,包括
3、设计数字低通滤波器、数字高通滤波器和数字坡型滤波器。本文设计的音响均衡器主要由这三种滤波器组成。数字低通滤波器和高通滤波器用于消除低频和高频噪声;十组串联的不同中心频率的坡型滤波器组成一个图示均衡器,对音频信号的不同频段的频率响应进行提升或衰减。此外,本文还提出了用级联形式来实现高阶的数字低通和高通滤波器,然后,通过Matlab软件对此算法进行了仿真验证。在仿真测试中,让多个不同频率的单频信号通过均衡器,对比其输入输出,形象直观地得出了均衡器对不同频率的单频信号的提升或衰减作用。最后,本设计还在SoC平台上进行了该均衡算法的实现,由实现结果来看,均衡器对音频信号不同频段频率响应的提升或衰减作用
4、效果显著。关键词:均衡器,数字滤波器,坡型滤波器I重庆大学本科学生毕业设计(论文) ABSTRACT宋体小四号空一行空一行ABSTRACTWith the continuous raising of peoples living standards and the diversified development of information industry, digital information has become an inevitable trend of social development, and the digitized audio signal has become an
5、 important research direction. On the one hand peoples pursuit of music is higher and higher and the diversification of music style is quite obvious. On the other hand, since the development of technology in sound processing is quite slow, it is hard for the company that produces domestic home theat
6、er and karaoke audio products to launch new products. In this context, we studied spectral sound equalization.Firstly this paper introduces the development and status of the audio equalizers. Starting from learning the general design method of digital filter, based on Butterworth analog prototype fi
7、lters, this paper introduces the design of digital low pass filter,digital high-pass filter and digital shelving filter. The graphic equalizer is designed by this three kinds of filters. The combination of digital low pass filter and high pass filter is able to eliminate the low or high frequency no
8、ise. The combination of ten digital shelving filter that has different center frequency makes a graphic equalizer which is able to realize symmetric boost or cut of different frequency band of an audio signal. Also, this paper presents a different method that by cascade of two low-order filters to r
9、ealize the high-order low and high pass filters.The design of digital filter is by using the simulation of Matlab. In the test, let different frequency signals go through the equalizer and it shows that equalizer can boost or cut the signals. Last but not least, the designed digital filers is implem
10、ented in a SoC platform and proved that it has a good effect of sound equalization.Key words:Equalizer, Digital Filter, Shelving FilterII重庆大学本科学生毕业设计(论文) 目录Times New Roman加粗小四号目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 音频均衡器的起源与发展11.2 课题研究目的及意义21.3 课题主要研究内容32 均衡算法的研究42.1 音频均衡器的相关技术指标42.2 数字滤波器设计的一般方法42.2.1 脉冲响应不变法5
11、2.2.2 双线性变换法62.3 音频均衡器中使用的滤波器82.3.1 数字低通滤波器的设计92.3.2 数字高通滤波器的设计142.3.3 坡型滤波器的设计152.3 滤波结构193 均衡算法的Matlab仿真213.1 数字滤波器的频率响应测试213.1.1 数字低通和高通滤波器的频率响应213.1.2 数字坡型滤波器的频率响应213.2 单频信号通过数字滤波器测试223.2.1 单频信号通过数字低通和高通滤波器223.2.2 单频信号通过数字坡型滤波器244 均衡算法的硬件实现274.1 均衡算法硬件实现的概述274.2 均衡器C语言的编程实现284.3 均衡器效果的实测295 结 论3
12、1参 考 文 献32致 谢33重庆大学本科学生毕业设计(论文) 1 绪论30重庆大学本科学生毕业设计(论文) 1 绪论1 绪 论1.1 音频均衡器的起源与发展电子放大器发明之前,在纠正采用无源网路电话线路的频率响应的实践中,均衡的概念被首次引用。起初,均衡是通过利用有相反频率响应的滤波器来“弥补”(即修正)电气系统的不平坦的频率响应,从而保证传输的保真度。当一个系统对所有频率段的响应都是基本相同的,这个系统网路的频率响应图就是平坦的。因此,把这个称作“均衡”。后来,均衡这个概念在音频工程的记录、再现和现场扩音的系统中被广泛应用。音响工程师通过调整音响系统的频率响应,使系统播放的音乐能更好地还原
13、通过麦克风记录的现场音乐。音频放大器很早就开始通过滤波器来控制或修改音响系统的频率响应。但这些都只是通过对低音和高音部分的调整,也就是分别通过利用低通或高通滤波器去消除低频的“隆隆”和高频的“嘘嘘”。由于人们的音乐审美要求越来越高,均衡器和其他音效设备已经被录音工程师在修改音频信号的频率响应的实践中广泛使用。因此,在音频电子领域,“均衡”现在已经被广义地描述为有修改频率响应作用的滤波器的应用。由于这种广泛的定义,均衡器包括所有在听众或工程师处理音频时所用的线性滤波器。一般来说,过滤音频可以至少追溯到谐波电报和复用发展阶段。当电台的演播厅开始记录越来越多的广播音频,音频电子设备开始发展滤波元素的
14、组合。早期的滤波器都是具有不变的中心频率和不变的增益的,它们基本上只是体现在对低频或高频的调整上,并且它们的工作在频段比较快宽。第一个使用滑块控制的均衡器是Langevin Model EQ-251A。它包括两个无源的均衡滤波器,分别是低音坡型滤波器和带通滤波器。每个滤波器都可以变换中心频率,还可以通过15位的滑动开关去调整每个频段的增益或者衰减。第一个真正意义上图示均衡器是由Art Davis的电影工程所开发的7080型均衡器。7080型均衡器有6个频段,每个频段的增益的可调范围是-8dB到+8dB。它用1位滑动开关去控制每个频段1dB增益。Davis的第二个图示均衡器是Altec Lans
15、ing Model 9062A EQ。在1967年,Davis开发了第一个1/3倍频程的可变的陷滤波器组,它就是Altec-Lansing“Acousta-Voice”系统1。1971年初,Daniel N. Flickinger设计出了第一个参数均衡器。他的设计是利用自己设计的高性能的运算放大器,535系列(USPT0 #3727896)来实现之前不可能实现的滤波电路。从1971年初开始至今,Flickinger的设计(USPT0 #3752928)表明其电路的拓扑结构,在音频均衡方面以及简洁电路的算法基础上具有重要地位。Flickinger的电路允许在整个音频的频谱的3个重叠的频带上完全任
16、意的选择中心频率和增益或衰减幅度,而不是使用工作在各自频段的滑动电位器或者旋转开关来控制。在他早期的均衡器中有6个旋钮来控制这些扫频滤波器。在高频和低频段中,有高达6个开关组成了用来选择斜坡功能,并为最原始的信号绕开了未曾使用的频带。他的最初的模型具有的规范性,是当下也很难见到的。自从1972年ITI公司的George Massenburg和Burgerss MnNeal以后,其他类似的设计就开始相继出现了。在1972年5月,Massenburg在音频工程学会的第四十二次会议中发表了关于参数均衡器的论文。从1971年至今,大多数在混合控制台的信道均衡的无论一半或完全参数化的拓扑结构都是基于Fl
17、ickinger,Massenburg和McNeal的设计。在20世纪末和21世纪初,参数均衡器作为数字信号处理设备变得越来越常见,通常作为插件的形式被各数字音频工作站使用。软件版本后,数字信号处理的参数均衡器的独立的外置设备版本也很快被开发出来,通常称之为数字参数均衡器。由上述可知,图示均衡器和参数均衡器是均衡器研究的主要两种类型。参数均衡器的各种参数都可细致调整,在调音台上有较多应用;而图示均衡器的结构简单,直观明了,在现代的音效设备中应用的极为广泛。在本文中,作者主要研究的是图示均衡器。1.2 课题研究目的及意义由于人们的娱乐生活的越来越丰富,越来越多人喜欢到KTV等以音乐为主题的娱乐场
18、所消费。常见的KTV房中,一般配备的调音系统都带有对唱歌者歌声的均衡调节的功能,但很多调音系统的均衡器对唱歌者歌声的调节作用的效果都不是非常显著。比如说很多人难以唱上去的高音部分,如果通过适当的音频均衡器,把唱歌者的通过麦克风输入的人声信号的高音部分进行提升,这样可以使唱歌者更容易地把高音部分唱出来。此外,在音乐的风格方面,如在低音部分突出的音乐,通俗地说就是“动次打次”的节奏感的音乐,可以通过均衡器对音频信号的低频频段进行提升,其他频段不变的情况下,让音乐的节奏感更上一个层次。因此,本文以提高消费者对音乐的体验为主要目的,从一般的数字滤波器的设计入手,并通过组合扩展其功能,研究并设计出一个能
19、够提升或衰减音频信号不同频带的频率响应的均衡器。1.3 课题主要研究内容本文的题目是音效处理中均衡算法的研究与实现,设计的均衡器主要是对20Hz到20kHz频段的音频信号进行均衡处理。本文设计的均衡器主要是由数字低通滤波器、高阶数字高通滤波器和数字坡型滤波器组成。本文数字滤波器都是基于模拟巴特沃斯原型设计的2,通过Matlab软件进行数字滤波器的仿真,并在SoC平台上进行均衡算法的实现3。本文的主要的研究内容如下:1)对现有的数字滤波器设计方法进行研究学习,掌握利用原型设计滤波器的一般方法,并提出了通过级联的形式实现高阶的低通和高通滤波器的方法。2)基于巴特沃斯原型滤波器设计数字坡型滤波器,归
20、纳总结模拟域到数字域的映射关系2。通过串联多个坡型滤波器组成图示均衡器,研究各种参量对图示均衡器的影响,包括带宽的确定、中心频率的选择和品质因数的影响。3)数字滤波器的C语言实现,重点是如何把数字滤波器的滤波结构用C语言来描述,并把SoC平台的实现的结果与软件仿真结果进行对比,看是否到达设计的指标要求。重庆大学本科学生毕业设计(论文) 2 均衡算法的研究2 均衡算法的研究本章的主要内容是介绍均衡器的技术指标和均衡器中所使用数字滤波器的设计。先从数字滤波器设计的一般方法入手,介绍了设计数字滤波器的基本步骤,并确定采用了双线性变换法实现模拟滤波器到数字滤波器的转换。本章详细介绍了数字低通滤波器、数
21、字高通滤波器和数字坡型滤波器设计的基本方法,并提出了通过级联实现高阶滤波器的另一种思路。2.1 音频均衡器的相关技术指标音频均衡器是根据预先设置的不同的参数指标,对输入的音频信号进行相应的均衡处理的一系列数字滤波器的组合。音频均衡处理包括对低高频噪声的滤除和对音频信号不同频段频率响应的提升或衰减。本文设计的音频均衡器也是分为两大部分。第一部分包括一个数字低通滤波器和一个数字高通滤波器。低通和高通滤波器的可调指标主要是截止频率和阶数。1) 低高通截止频率。一般情况下,数字低通滤波器的截止频率设置6kHz到12kHz之间,用于消除高频的噪声或音频信号;数字高通滤波器的截止频率设置在20Hz到250
22、Hz之间,用于消除低频部分的噪声或音频信号4。2)阶数。数字低通和高通滤波器的阶数是可调的,阶数可调范围分别是从1阶到4阶,其中3阶和4阶分别还可以通过1阶和2阶级联和两个2阶级联来实现。第二部分包括十个串联的二阶数字坡型滤波器,每个坡型滤波器的固定的中心频率是分布在20Hz20kHz之间,坡型滤波器将将20Hz20kHz的频带分割成10段独立调整增益的频段。坡型滤波器的可调技术指标主要有品质因数和各中心频率处的增益。1)品质因数。本文的坡型滤波器的品质因数一般设置在1到50之间,品质因数主要影响每个坡型滤波器中心频率处的频带的宽窄程度。2)增益。坡型滤波器中心频率处的增益是决定通过该频段处是
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