數(shù)字均衡器matlab

1、摘要本文的數(shù)字均衡器以MATLAB為設(shè)計平臺，有.wav文件的獲取、濾波、保存和播放功能。在對聲音文件進(jìn)行基本波形分析和頻率分析的基礎(chǔ)上，增加了高通、低通、帶通和帶阻濾波的功能，并有8段均衡器可對聲音信號進(jìn)行調(diào)節(jié)后保存播放。關(guān)鍵詞：濾波器、數(shù)字均衡器、傅立葉反變換第一章 概述1.1 均衡器簡介均衡器是一種用來對頻響曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)的音頻設(shè)備，換名話說，均衡器能對不同頻率的聲音信號中過多的頻率成分。因此，它能補償由于各種原因造成的信號欠缺的頻率成分，也能抑制信號中過多的頻率成分。例如，均衡器可以抑制頻率為60250Hz的低頻交流聲，也可以抑制頻率為612kHz的高頻噪聲；利用均衡器還可以進(jìn)行音調(diào)調(diào)節(jié)

2、和音色加工。均衡器的原意是將傳輸系統(tǒng)中不平衡的頻率特性用相反的特性曲線進(jìn)行頻率均衡，在此基礎(chǔ)上增加了音色加工和美化的功能。均衡器的作用主要如下。 校正各種音頻設(shè)備產(chǎn)生的頻率失真，以獲得平坦響應(yīng)。 改善室內(nèi)聲場，改善由于房間共振特性或吸聲特性不均勻而造成的傳輸增益（頻率）失真，確保其頻率特性平直。 抑制聲反饋，提高系統(tǒng)傳聲增益，改善擴聲音質(zhì)。 提高語言清晰度和自然度。 在音響藝術(shù)創(chuàng)作中，用于刻畫樂器和演員的音色個性，提高音響藝術(shù)的表現(xiàn)效果。 均衡器的種類很多，但基本上工作原理都是相同的。它們都是將音頻信號的全頻帶（20Hz20kHz）或全頻帶的主要部分，按一定的規(guī)律分成幾個甚至幾十個頻點（也稱頻

3、段），再利用LC串聯(lián)諧振的選頻特性，分別進(jìn)行提升或衰減，從而獲得所希望的頻率校正曲線。運用數(shù)字濾波器組成的均衡器稱為數(shù)字均衡器，數(shù)字均衡器即可作成圖示EQ，有可做成參量EQ，還可以做成兩者兼有的EQ，它不僅各項性能指標(biāo)優(yōu)異，操作方便，而且還可同時儲存多種用途的頻響均衡特性，供不同節(jié)目要求選用，可多至儲存99種頻響特性曲線。SONY的SRP-E300是一款多功能2通道的數(shù)字均衡器具有10段參量均衡和29段圖示均衡，可同時或獨立工作，帶有限制器和噪聲門功能，高精度的48kHz取樣，20比特線性模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換；帶有模擬和數(shù)字輸入/輸出；RS-232C C接口，可用于外部遙控，它的出現(xiàn)會逐步淘汰普通的

4、模擬均衡器，是一款專業(yè)音頻擴聲領(lǐng)域具有極高性價比的產(chǎn)品。另在網(wǎng)上搜得多款數(shù)字均衡器，比較典型的有一款型號為xb-66012的數(shù)字均衡器，如圖1-1所示。它的性能特點如下：微電腦控制，輕觸式操作；14段數(shù)控圖示均衡；5種均衡模式記憶；內(nèi)置噪聲門及壓限器；電平指示，一目了然。圖1-1 xb-66012數(shù)字均衡器另外，我們經(jīng)常用的還有wimap播放器，以及千千靜聽等常用音樂播放軟件都有均衡器的功能，界面如圖1-2所示。圖1-2 千千靜聽播放器中的均衡器1.2 數(shù)字均衡器的設(shè)計要求本設(shè)計是以MATLAB為開發(fā)平臺，要實現(xiàn)的目的是：1、 WAV聲音信號獲??；2、 八段數(shù)字均衡器的設(shè)定；3、 對聲音信號進(jìn)

5、行濾波；4、 對聲音信號進(jìn)行保存；5、 播放聲音信號。八段濾波器能夠?qū)σ韵聨讉€頻率段進(jìn)行濾波，的音感特征如下所示：30100Hz（沉重）；100200Hz（豐滿）；200500Hz（力度）；5001KHz（明朗）；1K2KHz（透亮）；2K4Kz（尖銳）；4K8Kz（清脆）；8K16Kz（纖細(xì)）?？梢哉{(diào)出不同的音效，有很廣泛的應(yīng)用。第二章 技術(shù)路線2.1 相關(guān)原理 數(shù)字濾波器的基本概念數(shù)字濾波器（Digital Filter，簡稱DF）是數(shù)字信號處理的重要基礎(chǔ)，在對信號的過濾、檢測與參數(shù)估計等處理過程中，它是使用最為廣泛的一種線性系統(tǒng)。數(shù)字濾波器是指完成信號濾波處理功能的、用有限精度算法實現(xiàn)的

6、離散時間線性非時變系統(tǒng)。其輸入是一組（由模擬信號取樣和量化的）數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過數(shù)字變換的另一組數(shù)字量。數(shù)字濾波具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大等突出優(yōu)點。數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)運算通常有兩種實現(xiàn)方式。一種是頻域法，即利用FFT快速運算辦法對輸入信號進(jìn)行離散傅立葉變換，分析其頻譜，然后根據(jù)所希望的頻率特性進(jìn)行濾波，再利用傅立葉反變換恢復(fù)出時域信號。這種方法具有較好的頻域選擇性和靈活性，并且由于信號頻率與所希望的頻譜特性是簡單的相乘關(guān)系，所以它比計算等價的時域卷積要快得多。另一種方法是時域法，這種方法是通過對離散抽樣數(shù)據(jù)做差分?jǐn)?shù)學(xué)運算來達(dá)到濾波目的的。本文用的是前一種方法。濾波器的原理濾波器就是對系統(tǒng)

7、的輸入信號進(jìn)行濾波。輸入x(n)和輸出y(n)之間的關(guān)系是脈沖響應(yīng)h(n)，即 公式2-1如果濾波器的輸入輸出都為離散信號，那么該濾波器的脈沖響應(yīng)也應(yīng)該是離散信號，這樣濾波器就成為了數(shù)字濾波器。上面的系統(tǒng)為時域離散系統(tǒng)時，其頻域特性為公式2-2其中、分別是數(shù)字濾波器的輸出序列和輸入序列的頻域特性，是數(shù)字濾波器的頻域響應(yīng)?？梢钥闯觯斎胄蛄械念l譜經(jīng)過濾波后變成了；因此按照輸入信號頻譜的特點和處理信號的目的適當(dāng)選擇，使得濾波后的滿足設(shè)計性能要求。在MATLAB中主要有Filter函數(shù)、Filtfilt函數(shù)等濾波函數(shù)。重點介紹一下Filter函數(shù)，在本設(shè)計中有較多的應(yīng)用。Filter函數(shù)該濾波器的標(biāo)

8、準(zhǔn)差分方程為 公式2-3如果不為1，那么濾波器的系數(shù)將用進(jìn)行歸一化處理，即各系數(shù)同除以。2.2 數(shù)字均衡器功能簡介本設(shè)計是建立在MATLAB基礎(chǔ)上的數(shù)字均衡器，有三個圖形窗口，可以分別顯示波形、頻譜和濾波后的頻譜。有三個模塊可分別對WAV文件進(jìn)行基礎(chǔ)分析、均衡濾波和一般性濾波（高通、低通、帶通和帶阻濾波）。其界面如圖2-1所示。圖2-1 數(shù)字均衡濾波器界面主要分為4個模塊：模塊一：圖形顯示模塊：有三個圖形顯示窗，可對聲音信號波形、頻譜和濾波后的頻譜進(jìn)行顯示。模塊二：基本分析模塊：有打開文件、播放文件并進(jìn)行頻譜分析的基本分析功能。模塊三：均衡器模塊：通過8個滾動條對8個頻率段進(jìn)行控制，并可以保存

9、調(diào)整好的文件顯示波形并播放。模塊四：濾波器模塊：有低通、高通、帶通和帶阻4種濾波功能，并在圖形模塊里顯示和原頻譜圖對比。下面將詳細(xì)介紹各個模塊的功能和技術(shù)線路關(guān)鍵。2.3 技術(shù)線路關(guān)鍵 基本分析模塊模塊功能：可實現(xiàn)打開WAV文件播放，并對文件進(jìn)行時域和頻域分析。該模塊界面如圖2-2所示圖2-2 基本分析模塊調(diào)用函數(shù)name,file = uigetfile('*.wav','select');打開WAV文件，讀取波形數(shù)據(jù)以后把數(shù)據(jù)保存在一個全局變量cash 里，可在后面反復(fù)調(diào)用。圖2-3 文件選擇 均衡器模塊模塊功能：可對8個頻率段的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以改變音頻效果

10、。打開文件后處理前波形和頻率如圖2-4(a)所示，然后從滾動條上獲得一個系數(shù)值對聲音進(jìn)行變換，效果如圖2-4(b)所示。（a） （b）（c）圖2-4 聲音信號的處理對比8個滾動條分別對8個頻率段進(jìn)行處理，每個滾動條的值都是從0到1，初始值為0.5。這一部分的原理是將采樣點N分成0()和N兩部分，兩部分之間對應(yīng)相等。然后對滾動條上的值進(jìn)行對應(yīng)處理，實現(xiàn)程序如下：global cash;y=cash;獲得全局變量值Fs=22000;t=str2double(get(handles.time,'String');N=2ceil(log2(Fs*t); 獲得采樣點的值P=fft(y,N

11、);Pyy=2*sqrt(P.*conj(P)/N;f=Fs*(0:N/2-1)/N;f(N/2+1:N)=f(N/2:-1:1); 采樣點分段n=8;fmax=max(f); 在頻率值中尋找最大值if fmax>30s=get(handles.s1,'Value');從滾動條1獲得一個0-1之間的值，但只能縮小該頻段聲音信號 a=find(f>=30 & f<=100); 在30-100Hz的頻率段進(jìn)行處理 b=(s*2)n; s*2可以實現(xiàn)對聲音信號的放大和縮小 Pyy(a)=Pyy(a)*b;P(a)=(P(a).*b).*b; 將系數(shù)疊加在原信

12、號上endif fmax>100 對100-200Hz信號的處理 s=get(handles.s3,'Value'); a=find(f>=100 & f<=200); b=(s*2)n; Pyy(a)=Pyy(a)*b;P(a)=(P(a).*b).*b;endif fmax>200 對200-500Hz信號的處理 s=get(handles.s4,'Value'); a=find(f>=200& f<=500); b=(s*2)n; Pyy(a)=Pyy(a)*b;P(a)=(P(a).*b).*b;end

13、（下略）信號處理完后，可點擊“均衡調(diào)節(jié)”按鈕，將調(diào)整好的信號反變換到波形中去。然后點擊“保存”按鈕，調(diào)用uiputfile將文件保存到指定路徑里。global save; %save是變換后的波形wavwrite(save,'save.wav');file,path = uiputfile('save.wav','Save file name');點擊“播放”按鈕即可將調(diào)整后的WAV文件進(jìn)行播放。 濾波器模塊模塊功能：可實現(xiàn)信號的低通、高通、帶通和帶阻濾波。通過調(diào)用函數(shù)butter和filter來實現(xiàn)不同的濾波功能。以低通為例，程序如下：glob

14、al cash;x=cash;Fs=22000;t=str2double(get(handles.time,'String');N=2ceil(log2(Fs*t);Fc=str2double(get(handles.edit1,'String');n=8;Wn=Fc/(Fs/2);b,a=butter(n,Wn,'low');y=filter(b,a,x);P=fft(y,N);Pyy=2*sqrt(P.*conj(P)/N;f=linspace(0,Fs/2,N/2);plot(f,Pyy(1:N/2);高通濾波將b,a=butter(n,W

15、n,'low');里的'low'改成'high'即可，帶通和帶阻中的Wn為一個二元數(shù)組Wn=Fc1/(Fs/2),Fc2/(Fs/2);Fc1和Fc2分別從兩個文本框中獲得，然后再將butter里設(shè)為'bandpass'和'stop'。各濾波后的頻率如圖2-5所示。（a）低通濾波 （b）高通濾波（c）帶通濾波 （d）帶阻濾波圖2-5 濾波頻率顯示第三章 結(jié)論和致謝在這項設(shè)計中實現(xiàn)了對WAV文件的讀取、分析、濾波、保存和播放，實現(xiàn)了前述要求內(nèi)容。但濾波后，尤其是均衡器調(diào)節(jié)后，聲音信號變化比較大，聲音失真比較嚴(yán)重，可能和算法有一定的聯(lián)系。在設(shè)計中，對于均衡器滾動條獲得的值，有不同的處理方法。有種方法直接將其作為系數(shù)乘到原有信號上，但是只能使信號衰減，本設(shè)計里沒有使用。最后要感謝王南杰同學(xué)在均衡器算法上給我的幫助和講解，感謝王利平、鄒君同學(xué)在對滾動條數(shù)值