音頻信號的硬件處理及軟件算法

目錄從模擬到數(shù)字音頻信號的硬件處理及軟件算法從模擬到數(shù)字音頻信號的硬件處理及軟件算法楊森上海交通大學(xué)電子信息與電器工程學(xué)院儀器科學(xué)與工程系音頻信號的硬件處理和軟件算法上篇：音頻信號的硬件處理1放大電路概述1放大電路功能1增益1濾波2運(yùn)算3放大電路效果器4下篇：音頻信號的軟件算法8數(shù)字信號處理概述8數(shù)字信號處理軟件8Matlab8LabVIEW12專業(yè)處理軟件13Audition13Nuendo14參考文獻(xiàn)15鳴謝15從模擬到數(shù)字第page16上篇：音頻信號的硬件處理放大電路概述放大電路（AMPLIFICATIONCIRCUIT）能夠?qū)⒁粋€微弱的交流小信號（疊加在直流工作點(diǎn)上），2通過一個裝置（核心為三極管、場效應(yīng)管），得到一個波形相似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號的輸出。實際的放大電路通常是由信號源、晶體三極管構(gòu)成的放大器及負(fù)載組成。根據(jù)放大電路的作用可以將其分為：電壓放大電路、電流放大電路和功率放大電路。根據(jù)放大電路的組成元件可以分為晶體管放大電路和場效應(yīng)管放大電路。晶體管放大電路的基本形式有三種：共射放大電路，共基放大電路和共集放大電路；場效應(yīng)管放大電路基本形式有兩種：共源放大電路，共漏放大電路。在構(gòu)成多級放大器時，這幾種電路常常需要相互組合使用。FigureSEQFigure\*ARABIC1三極管的三種基本放大電路放大電路功能增益放大電路的放大倍數(shù)又稱增益，它是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。根據(jù)需要處理的輸入和輸出量的不同，放大倍數(shù)有電壓、電流、互阻、互導(dǎo)和功率放大倍數(shù)等，其中電壓放大倍數(shù)應(yīng)用最多。在實際電路運(yùn)用中，諸如音量的放大，音色的調(diào)整等等操作，都是通過改變放大電路增益來實現(xiàn)的。濾波濾波是對波進(jìn)行過濾的操作?！安ā笔且粋€非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。經(jīng)典濾波的概念，是根據(jù)傅立葉分析和變換提出的一個工程概念。根據(jù)高等數(shù)學(xué)理論，任何一個滿足一定條件的信號，都可以被看成是由無限個正弦波疊加而成。換句話說，就是工程信號是不同頻率的正弦波線性疊加而成的，組成信號的不同頻率的正弦波叫做信號的頻率成分或叫做諧波成分。只允許一定頻率范圍內(nèi)的信號成分正常通過，而阻止另一部分頻率成分通過的電路，叫做經(jīng)典濾波器或濾波電路。實際上，任何一個電子系統(tǒng)都具有自己的頻帶寬度（對信號最高頻率的限制），頻率特性反映出了電子系統(tǒng)的這個基本特點(diǎn)。而濾波器，則是根據(jù)電路參數(shù)對電路頻帶寬度的影響而設(shè)計出來的工程應(yīng)用電路。濾波器按所處理的信號模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。四種理想濾波器的特性如下：FigureSEQFigure\*ARABIC2理想低通、高通、帶通、帶阻濾波器其特征為：當(dāng)信號頻率大于或小于截止頻率后，瞬間衰減到無窮小。實際電路中的濾波器特性只能趨近于理論值。以低通濾波器中的巴特沃斯，切比雪夫和貝塞爾濾波器為例，其特性如下圖:FigureSEQFigure\*ARABIC3幾種低階濾波器的幅頻特性曲線可以看到，巴特沃斯濾波器具有最平坦的通帶，但過渡帶不夠陡峭。切比雪夫濾波器帶內(nèi)有起伏，但過渡帶比較陡峭。貝塞爾濾波器過渡帶寬而不陡，但具有線性相頻特性。橢圓濾波器不僅通帶內(nèi)有起伏，阻帶內(nèi)也有起伏，而且過渡帶陡峭。一階和二階濾波器是比較常用的濾波器，高階濾波器可由一階和二階組合而成。運(yùn)算利用晶體管集成而成的運(yùn)算放大器，可搭建出運(yùn)算電路，完成多輸入電壓的加、減、除及積分、微分甚至傅里葉變換的運(yùn)算。以下是幾種基本運(yùn)算電路：FigureSEQFigure\*ARABIC4反、同向加法電路FigureSEQFigure\*ARABIC5積分、微分運(yùn)算電路放大電路效果器音量放大：使用電壓放大電路或功率放大電路（簡稱功放），實現(xiàn)輸入聲音電信號的線性放大，以失真小者為優(yōu)。下圖為運(yùn)用集成運(yùn)算放大器LM386芯片搭建的簡易功放電路，通過調(diào)節(jié)左側(cè)的電位器可改變喇叭音量。FigureSEQFigure\*ARABIC6基于LM386芯片的運(yùn)放電路噪聲門：使用濾波器將設(shè)定的噪聲頻率過濾后得到較為清晰的聲音。均衡器：使用多個濾波器將原信號濾波后分別輸入放大電路施加增益。對于自然界的各種聲音，由于其由不同頻率的聲波混合而成，因此可以改變音色。延時器：使用延時器可以使輸入信號相位改變，因此輸出信號為輸入信號延后一個時間t后的輸出。延時器可以產(chǎn)生回音效果，產(chǎn)生模擬立體聲，豐富聽覺體驗。FigureSEQFigure\*ARABIC7基于CS4224芯片的延時器電路失真器：使用特殊的放大電路，使三極管或場效應(yīng)管等放大特性元件工作在飽和區(qū)而非放大區(qū)，造成信號失真放大，改變源信號波形，尋求特殊的音色變化。FigureSEQFigure\*ARABIC8三極管的伏安特性曲線FigureSEQFigure\*ARABIC9三極管的失真狀態(tài)FigureSEQFigure\*ARABIC10飽和失真波形FigureSEQFigure\*ARABIC11交越失真波形變調(diào)器：使用調(diào)頻電路對輸入信號進(jìn)行等幅調(diào)制，即不改變信號振幅僅調(diào)制頻率。由于震動頻率改變，所以音調(diào)會相應(yīng)發(fā)生改變。下篇：音頻信號的軟件算法數(shù)字信號處理概述數(shù)字信號處理是用數(shù)值計算的方式對信號進(jìn)行加工的理論和技術(shù)，英文簡稱為DSP：DigitalSignalProcessing或DigitalSignalProcessor（數(shù)字信號處理器，它是集成專用計算機(jī)的一種芯片，只有一枚硬幣那么大）。有時人們也將DSP看作是一門應(yīng)用技術(shù)，稱為DSP技術(shù)與應(yīng)用。數(shù)字信號處理軟件MatLabMATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn)，使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。可以直接調(diào)用，用戶也可以將自己編寫的實用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。使用Matlab中的特定函數(shù)，可完成前文述及的各類模擬電路信號處理，結(jié)果精確、成本低廉。常用濾波器及算法命令如下：abs（求幅值）angle（求相角）conv（求卷積）freqz（數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)）impz（數(shù)字濾波器的沖擊響應(yīng)）zplane（數(shù)字系統(tǒng)零極點(diǎn)圖）IIR濾波器設(shè)計：butter（巴特沃思數(shù)字濾波器）cheby1（切比雪夫I型）cheby2（切比雪夫II型）maxflat（最平濾波器）ellip（橢圓濾波器）yulewalk（遞歸數(shù)字濾波器）bilinear（雙線性變換）impinvar（沖激響應(yīng)不變法）FIR濾波器設(shè)計：triang（三角窗）blackman（布萊克曼窗）boxcar（矩形窗）hamming（海明窗）hanning（漢寧窗）kaiser（凱塞窗）fir1（基于窗函數(shù)法）fir2（基于頻率抽樣法）firrcos（上升余弦FIR濾波器設(shè)計法）intfilt（內(nèi)插FIR濾波器設(shè)計法）kaiserord（用Kaiser窗設(shè)計FIR濾波器的參數(shù)估計）各種變換：czt（線性調(diào)頻Z變換）dct（離散余弦變換）fft（一維快速傅里葉變換）fft2（二維快速傅里葉變換）idct（逆離散余弦變換）ifft（一維逆快速傅里葉變換）ifft2（二維逆快速傅里葉變換）hilbert（Hilbert變換）下文引入用Matlab編程語言完成的數(shù)字巴特沃斯高通IIR濾波器：fp=400;fs=300;Rp=1;%通帶最大衰減Rp=1dBRs=20;%阻帶最小衰減Rs=20dBwp=fp*2*pi;%把數(shù)字域濾波器特征換成模擬濾波器特征ws=fs*2*pi;FS=1000;T=1/FS%歸一化數(shù)字頻率Wp=wp/(FS);Ws=ws/(FS);%頻率預(yù)畸變：數(shù)字域頻率wp2=2*tan(Wp/2)/T;%預(yù)畸變求濾波器通帶臨界頻率ws2=2*tan(Ws/2)/T;%預(yù)畸變求濾波器阻帶臨界頻率%設(shè)計模擬濾波器[N,Wn]=buttord(wp2,ws2,Rp,Rs,'s')[z,p,k]=buttap(N);%創(chuàng)建Buttord低通濾波器原型[Bap,Aap]=zp2tf(z,p,k);%由零極點(diǎn)轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)的形式figure(1)freqs(Bap,Aap); %模擬低通濾波器的頻率響應(yīng)title('模擬濾波器（低通原型）的頻率響應(yīng)')[Bbs,Abs]=lp2hp(Bap,Aap,Wn);%模擬低通變高通figure(2)freqs(Bbs,Abs);title('模擬濾波器的頻率響應(yīng)')%用雙線性不變法變換成數(shù)字濾波器[Bbz,Abz]=bilinear(Bbs,Abs,FS);%雙線性變換%求其頻率響應(yīng)figure(3)freqz(Bbz,Abz,512,FS);title('數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)')%詳細(xì)顯示數(shù)字濾波器的幅頻響應(yīng)[hw,w]=freqz(Bbz,Abz,512);figure(4)plot(w/pi,20*log10(abs(hw)));gridaxis([0,1,-200,10])title('ButterworthTypeHighpassDigitalFilter')xlabel('w/pi');ylabel('幅度(dB)');%下面將筆算的結(jié)果仿真wp=0.8*pi;ws=0.6*pi;OmegaP=2*1000*tan(wp/2);OmegaS=2*1000*tan(ws/2);lamdas=OmegaP/OmegaS;N=0.5*log10((10.^(20/10)-1)/(10.^(1/10)-1))/log10(lamdas);%筆算的結(jié)果為N=3.6947；故取N=4%此處為計算高通的傳遞函數(shù)Wn=4.8890e+003az=[00001];bz=[12.6133.414,2.613,1];[Bbs,Abs]=lp2hp(az,bz,Wn)%用雙線性不變法處理í[Bbz,Abz]=bilinear(Bbs,Abs,1000);%畫圖[hw,w]=freqz(Bbz,Abz,512);figure(5)plot(w/pi,20*log10(abs(hw)));gridaxis([0,1,-200,10])set(gca,'XTickMode','manual','XTick',[0,Ws/(pi),Wp/(pi),1]);gridset(gca,'YTickMode','manual','YTick',[-200,-Rs,-Rp,10]);gridtitle('理論計算的濾波器的幅頻響應(yīng)')xlabel('w/pi');ylabel('幅度(dB)')可以看出，只要熟悉Matlab的各種命令，編譯出信號處理的軟件程序無需焊接過多的硬件，避免了很多麻煩，且結(jié)果更加精確穩(wěn)定。對于高階電路的仿真意義非凡！FigureSEQFigure\*ARABIC12MatlabLabVIEWLabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)的，類似于C和BASIC開發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。使用LabVIEW自帶的橢圓函數(shù)濾波器可以搭建出數(shù)字均衡器。只要結(jié)合硬件前端（聲卡和調(diào)理電路）完成采樣，所有的數(shù)字處理工作都由計算機(jī)軟件完成，省去了以往模擬電路硬件不易攜帶、電磁干擾、布線困難和散熱等問題。FigureSEQFigure\*ARABIC13濾波前和濾波后的波形（100HZ附近波形明顯不同）FigureSEQFigure\*ARABIC14筆者基于LabVIEW搭建的EQ均衡器FigureSEQFigure\*ARABIC