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FIR濾波器能給音頻擴聲帶來怎樣幫助?
更新時間:2019-11-7 13:06:50 編輯:溫情 文章來源:PLAY TIME 陳萬勇 調整文字大小:【

隨著數字音頻的快速發展,近些年在音頻擴聲領域,經常能聽到音頻技術人士討論FIR數字濾波器,有些說法和廠家的宣傳難免有些過于神化,有些廠家的技術工程師竟然宣稱,自己的FIR濾波器能把每只揚聲器或者整組擴聲系統的相位優化到接近于0°!(在某第三方測試軟件的界面上相位特性近似一條直線)。

各位,我們都知道不同頻率的波長是不同的,要把20Hz-20KHz的頻率相位在同一擴聲環境下統一歸零?我認為這是不太現實,為什么這么說呢?我們用鐘表來打個比喻:假設鐘表上的秒針、分針、時針,分別代表不同的頻率(或者波長),鐘表只有在0點或者12點鐘的那一刻相位是歸零的。其他任意時間軸都不可能完全歸零,也就好比100Hz、1kHz、10KHz只要在同一時間和空間里面做工,任一頻率都會以不同的頻率周期在360°的周期內循環。在某一時間軸上,不同頻率所處的相位角是不同的。

FIR濾波器說到底能給音頻擴聲帶來什么樣的幫助呢?首先我們要問什么是FIR濾波器?和傳統IIR的濾波器有什么區別或者特性?

我們先來了解一下濾波器的特性。

1、低通濾波器

從0~f1頻率之間,它可以使信號中低于f1的頻率成分通過,而高于f1的頻率成分受到極大地衰減。

 

2、高通濾波器

與低通濾波相反,從頻率f1~∞,其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過,而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。


3、帶通濾波器

通頻帶在f1~f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以通過,而其它成分受到衰減。

 

4、帶阻濾波器

與帶通濾波相反,阻帶在頻率f1~f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減,其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。


我們常用的PEQ、GEQ也在近似于帶通濾波器和帶阻濾波器上演變而來。僅濾波器而言,對于某環境下的擴聲系統的幅頻特性是很容易做出變量,也就是我們比較關心的頻響曲線的平滑性,通過增益和衰減能快速的對過多或者過少的某些頻率進行修整,從而達到人兒聽覺所需的頻率響度值。但是,很多時候我們會發現,即使聽覺響度的幅頻特性滿足了預設值,但是實際聽感卻并不滿意(比如明顯感覺擴聲系統在還原聲音的時候存在離散性、脫節、動態欠佳等)。這種現象除了擴聲系統本身存在一定的缺陷之外,同時跟擴聲環境也密切相關。

那么在實際擴聲應用中對系統造成上述缺陷的原因有哪些呢?

1、揚聲器本質的缺陷,大部分揚聲器都是有2個以上的喇叭單元組成,喇叭與喇叭之間相位設計、喇叭與箱體的結構設計、分頻網絡的設計等等,都會對擴聲系統造成劣化;

2、擴聲系統的架構,音源從混音臺到功放再到揚聲器,整個路由的系統架構也很容易對整個擴聲系統造成劣化的因素存在;

3、擴聲環境因素,很多擴聲環境都對聲音存在干涉或者破壞,甚至環境溫度和空氣濕度都會對聲音不同頻率造成非線性變量;

4、擴聲系統相頻特性非線性失真和環境多次反射產生的多個聲源衍生的相位關系相互干涉。
 
自從數字音頻在應用中得到普及之后,傳統的IIR濾波器似乎已經不能滿足我們的要求,因此FIR濾波器也就被炒的風生水起。那么IIR型濾波器與FIR型濾波器有什么本質區別呢?為什么沒有跟數字IIR濾波器同時誕生呢?

1、IIR濾波器,是無限脈沖響應濾波器,又稱遞歸型濾波器,即結構上帶有反饋環路。

特點:
IIR數字濾波器的系統函數可以寫成封閉函數的形式,具有反饋回路;
IIR數字濾波器的相位非線性,相位特性不好控制,隨截止頻率變化而變化;
IIR濾波器有歷史的輸出參與反饋,同FIR相比在相同階數時取得更好的濾波效果;
IIR數字濾波器采用遞歸型結構,由于運算中的舍入處理,使誤差不斷累積,有時會對信號產生微弱的寄生振蕩。

2、FIR濾波器,是有限長單位沖激響應濾波器,又稱為非遞歸型濾波器,是數字信號處理系統中最基本的元件,它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性,同時其單位抽樣響應是有限長的,因而濾波器是相對穩定的系統。
  

特點:

FIR濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路,穩定性強,故不存在不穩定的問題;

FIR具有嚴格的線性相位,幅頻特性隨意設置的同時,保證精確的線性相位;

FIR相對IIR濾波器而言,相同性能指標時,階次較高,對CPU的性能要求較高。

3、兩者的區別

穩定性:由于FIR濾波器沒有反饋回路,穩定性要強于IIR;
相位特性:FIR為線性相位延遲,IIR為非線性相位延遲。
運行平臺:IIR濾波器成本更低,可以采用模擬元器件搭建,也可以用普通IC芯片來實現;而FIR如果采用傳統芯片來設計的話,系統延時將會遠遠大于IIR的系統延時,好在現在FPGA芯片在很多大數據運行和交換的平臺上得到廣泛應用,基于FPGA運行平臺上可實現并行計算的功能,從而實現高階FIR濾波器的架構,而且還能保證極低的系統延時。

上面我們提到,濾波器能改變幅頻特性,能把頻響曲線處理的相對平滑,采用IIR濾波器來改變濾波器的參量,同時也會對相頻特性造成變化,相頻特性的失真不僅是產生相位延時,數字音頻都是基于算法來實現因果關系,如果系統中的濾波器在一個失真信號的基礎上去計算的話,那么結果一定也是不理想的。

既然FIR濾波器相對IIR濾波器有諸多優點,那么為什么到今天卻并沒有在實際應用中得到普及呢?目前在音頻領域已經有一些廠家研發出具備FIR濾波器的軟硬件,在實際應用過程中,目前有很多爭議,有些產品在應用過程中還需要第三方軟硬件的配合才能應用到系統中去,有些FIR的階數不夠高,還不能處理全頻段的信號,尤其頻率越低越難以處理。有些加載了FIR濾波器,使整個系統產生巨大延時(十幾毫秒甚至幾十毫秒),在現場擴聲系統中是無法接受的。

當然,FIR濾波器也不是萬能的,音樂始終是歸納為藝術范疇,擴聲系統的功能也是要為音樂藝術服務的,好的擴聲系統或者的好聽的音樂藝術,絕非僅靠好看的頻響圖就能實現完美的。

俗話說,世間萬物都得講究個陰陽平衡,尤其對于擴聲系統的處理過程中,能用簡單的方法處理好的系統,千萬別整復雜了,過度的依賴FIR濾波器,其實是一種不自信的表現,剛才說了,萬物講究平衡,當你通過某些手段獲得一定收貨的時候,那么同時你也一定會失去某些不想失去的東西。好比我們在使用FIR濾波器,越來越多的工程師都喜歡追求更高的數字采樣率和比特率,覺得參數越高就越精準,數字音頻的軟硬件對于自然聲源來講,在AD/DA過程中,過度的采樣、量化、處理,反而會讓聲音的本質屬性變得本末倒置;FIR濾波器也是如此,如何把控FIR處理的尺度是非常關鍵的,過度的FIR處理,可能會讓聲音變得更“干凈”,但是很大程度上也會失去一部分應有的“味道”;就好比一個演員要上舞臺表演,其實恰到好處的化化妝就非常好了,干嘛非要整個容再上去?

在過去的兩年多時間里面,我們對“北京賽因公司”的APC460L這臺FIR濾波器,可以說是了解比較深刻的。說到FIR處理尺度把控,我們在APC460L應有的過程中,總結了幾點經驗給大家分享一下。


一、測量前正確設置

 

其實任何軟件,在應用前都需要詳細了解其特性,在測量前,首先要設置一個合適的信號電平和測量

話筒的拾音比例,過大或者過小的電平值都會讓FIR濾波器產生“誤判”。



 二、如何選擇最佳測量位置和如何架設測量話筒?

 

對于立體聲擴聲系統來講,如何預設拾音話筒的位置、距離、高度、以及拾音話筒的方向?都會對測量結果產生“誤判”,為了更客觀的對直達聲和反射聲進行采樣,建議測量話筒于地面保持垂直狀;話筒頭高度接近人耳位置。


 
三、如何判斷測量的客觀性?




 

總結:測量信號電平和測量話筒擺放的重要性。

1、如果測量電平過低,對采樣精度不夠,計算結果不夠客觀;

2、如果測量電平過高,會引起FIR過度處理,尤其對高頻的過度處理。

3、為什么建議測量話筒與地面保持90度垂直狀態?是因為APC不僅要對揚聲器系統拾取信號,同時還需要結合擴聲環境的反射聲進行采樣,這樣架設測量話筒理論上更客觀。

 


四、低頻與全頻的響度比


 

首先我們來看一張“人耳等響曲線圖”,以1KHz的聲壓級為參考,當1KHz=100dB時:

30Hz≈+18dB

40Hz≈+12dB

100Hz≈+3dB

300-500Hz≈-2dB

2KHz-5KHz≈-12dB

10KHz≈+6dB

適用于大多數人耳的相對響度值。


 五、APC處理后低頻響度變小了是什么原因?

 

首先我們再看一下上面的這張“人耳等響曲線圖”,人耳對不同頻率的響度感知的靈敏度是不一樣的。當我們在用APC測量的時候,往往對原系統的響度平衡沒有做調整,也就是原系統的低頻往往比全頻的響度要大很多,APC通過采樣獲取的信息后,默認為低頻的能量是過多的,在計算的時候把高于全頻的能量給衰減掉,因為機器只是把頻響曲線處理的相對平滑(對于機器來說這是一個默認值),因此在測量前最好先調整低頻與全頻的響度比例。



 

把所有需要測量點完成后,再把低頻響度恢復到適合人耳聽覺曲線的響度就OK了。不同的音樂風格和不同的音響師對聲音的理解都會存在差異,響度曲線沒有必要固化,是相對的而不是絕對。因此,APC第一步工作只是把原來不干凈、不清晰的聲音處理“干凈”提高清晰度。


 
六、如何設置人耳等響曲線?

 

在“Curve Design”窗口,在綠色線上任意點雙擊鼠標左鍵,就可以創建一個“EQ”點,左右移動頻率,上下移動增益或者衰減,如果要限制帶寬,可以在“EQ”點左右兩邊再雙擊鼠標,就建立了一個類似Q值的頻帶范圍,左右移動可任意調整帶寬。



提示:在APC響度曲線調整的時候,系統聲音不能實時變化,每次變動曲線后,都需要點擊APPLY后,等待機器進行數據寫入,當進度條完成后即可。


如果對設置的曲線不滿意,需要回到平直的曲線點擊 RESET TO FLAT,等待進度條走完就完成清除上一次的曲線數據。

當曲線經過FIR濾波器處理器后,無論你任意修改響度曲線是不會破壞相頻特性的,也就是說,在保證聲音干凈的基礎上你可以任意調整響度曲線(這跟調音臺或者處理器上去調整PEQ的結果是完全不同的聽感)。


 

FIR濾波器要在擴聲領域得到普及,還有很長的一段路要走,目前在應用功能上還比較單一,尤其涉及到多通道輸入和輸出與擴聲環境融合方面還不能夠滿足需要,期望這些技術研發人員能夠多結合實際應用現場,深度融合現場應用需求,研發出更便捷,實用性更高的產品出來。

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