octaveFilter
Полоса октавы и дробный ленточный фильтр октавы
Описание
Система octaveFilter object™ выполняет полосу октавы или дробную полосу октавы, фильтрующую независимо через каждый входной канал. Полоса октавы является диапазоном частот, где самая высокая частота является дважды самой низкой частотой. Полоса октавы и дробные ленточные фильтры октавы обычно используются, чтобы подражать, как люди чувствуют громкость. Фильтры октавы лучше всего поняты, когда просматривается на логарифмическом масштабе, который модели, как человеческое ухо взвешивает спектр.
Выполнять полосу октавы или дробную фильтрацию полосы октавы на вашем входе:
Создайте объект
octaveFilterи установите его свойства.Вызовите объект с аргументами, как будто это была функция.
Чтобы узнать больше, как Системные объекты работают, смотрите то, Что Системные объекты? MATLAB.
Создание
Синтаксис
octFilt = octaveFilteroctFilt = octaveFilter(centerFreq)octFilt = octaveFilter(centerFreq,bw)octFilt = octaveFilter(___,Name,Value)Описание
octFilt = octaveFilter создает Системный объект, octFilt, который выполняет полосу октавы, фильтрующую независимо через каждый входной канал.
octFilt = octaveFilter( устанавливает свойство CenterFrequency на centerFreq)centerFreq.
octFilt = octaveFilter( устанавливает свойство Bandwidth на centerFreq,bw)bw.
octFilt = octaveFilter(___, наборы каждое свойство Name,Value)Name к заданному Value. Незаданные свойства имеют значения по умолчанию.
octFilt = octaveFilter(1000,'1/3 octave','SampleRate',96000) создает Системный объект, octFilt, с центральной частотой 1 000 Гц, 1/3 пропускной способностью фильтра октавы и частотой дискретизации 96 000 Гц.Свойства
Использование
Синтаксис
audioOut = octFilt(audioIn)Описание
Входные параметры
Выходные аргументы
Функции объекта
Чтобы использовать объектную функцию, задайте Системный объект как первый входной параметр. Например, чтобы выпустить системные ресурсы Системного объекта под названием obj, используйте этот синтаксис:
release(obj)
createAudioPluginClass и функции configureMIDI сопоставляют настраиваемые свойства Системного объекта octaveFilter к стоящим с пользователем параметрам:
| Свойство | Область значений | Отображение | Модули |
|---|---|---|---|
CenterFrequency | [3, 22000] | журнал | Гц |
Bandwidth | '1 octave', '2/3 octave', '1/2 octave', '1/3 octave', '1/6 octave', '1/12 octave', '1/24 octave' или '1/48 octave' |
Ваша область значений MIDI-контроллера дискретизируется на семь уровней, соответствуя семи вариантам | –– |
Примеры
Выполните дробную фильтрацию полосы октавы
Используйте Систему octaveFilter object™, чтобы разработать 1/3 ленточный фильтр октавы, сосредоточенный на уровне 1 000 Гц. Обработайте звуковой сигнал с помощью проекта фильтра октавы.
Создайте Системный объект dsp.AudioFileReader.
samplesPerFrame = 1024; reader = dsp.AudioFileReader('Filename', ... 'RockGuitar-16-44p1-stereo-72secs.wav', ... 'SamplesPerFrame',samplesPerFrame, ... 'PlayCount',Inf);
Создайте Системный объект octaveFilter. Используйте частоту дискретизации читателя как частота дискретизации фильтра октавы.
centerFreq = 1000; bw = '1/3 octave'; Fs = reader.SampleRate; octFilt = octaveFilter(centerFreq,bw,'SampleRate',Fs);
Визуализируйте ответ фильтра и проверьте, что он соответствует в маске класса 0 стандарта ANSI S1.11-2004.
visualize(octFilt,'class 0')Создайте спектр анализатор, чтобы визуализировать исходный звуковой сигнал и звуковой сигнал после фильтрации полосы октавы.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer( ... 'SampleRate',Fs, ... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false, ... 'FrequencyScale','Log', ... 'FrequencyResolutionMethod','WindowLength', ... 'WindowLength',samplesPerFrame, ... 'Title','Octave-Band Filtering', ... 'ShowLegend',true, ... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
Обработайте звуковой сигнал в цикле аудиопотока. Визуализируйте отфильтрованное аудио и исходное аудио. Как лучшая практика, выпустите Системные объекты, когда завершенный.
tic; while toc < 20 x = reader(); y = octFilt(x); scope([x(:,1),y(:,1)]) end release(octFilt) release(scope) release(reader)
Создайте банк ленточного фильтра октавы
Создайте банк ленточного фильтра октавы, который соответствует ANSI S1.11-2004. Передайте белый шум через набор фильтров и осмотрите получившуюся степень в каждой полосе.
Создайте фильтр октавы с настройками по умолчанию. Визуализируйте проект фильтра и проверьте, что он соответствует ANSI S1.11-2004 для класса 0.
octFilt = octaveFilter;
visualize(octFilt,'class 0')
Получите вектор допустимых центральных частот, учитывая центральную частоту octFilt. Создайте набор фильтров октавы с помощью допустимых центральных частот.
centerFrequencies = getANSICenterFrequencies(octFilt); for i = 1:11 octaveFilterBank{i} = octaveFilter(centerFrequencies(i),'FilterOrder',12); end
Используйте getFilter, чтобы возвратиться, biquad объекты фильтра для каждого просачиваются ваш набор фильтров октавы. Визуализируйте набор фильтров октавы с линейной шкалой частоты.
plotter = fvtool(getFilter(octaveFilterBank{1}), ...
getFilter(octaveFilterBank{2}), ...
getFilter(octaveFilterBank{3}), ...
getFilter(octaveFilterBank{4}), ...
getFilter(octaveFilterBank{5}), ...
getFilter(octaveFilterBank{6}), ...
getFilter(octaveFilterBank{7}), ...
getFilter(octaveFilterBank{8}), ...
getFilter(octaveFilterBank{9}), ...
getFilter(octaveFilterBank{10}), ...
getFilter(octaveFilterBank{11}), ...
'Fs',octaveFilterBank{1}.SampleRate);
Визуализируйте набор фильтров октавы с логарифмической шкалой частоты. Логарифмическая шкала частоты заставляет центральные частоты казаться равномерно распределенными.
set(plotter,'FrequencyScale','Log')
Создайте белый шумовой сигнал. По определению белый шум имеет плоскую силу спектральная плотность.
whiteNoiseGenerator = dsp.ColoredNoise(0,1024); whiteNoise = whiteNoiseGenerator();
Передайте белый шумовой сигнал через банк ленточного фильтра октавы.
for i = 1:11 filteredWhiteNoise(:,i) = octaveFilterBank{i}(whiteNoise); end
Вычислите и постройте степень в каждой октаве.
for i = 1:11 powerPerBand(i) = bandpower(filteredWhiteNoise(:,i)); end bar(powerPerBand) title('Power Distribution of Octave Band Filter Bank') set(gca,'XTickLabel',{round(centerFrequencies)}) xlabel('Center Frequency of Octave Band Filter (Hz)') ylabel('Normalized Power')
Степень полосы увеличивается фактором приблизительно двух, потому что пропускная способность октавы увеличивается фактором два. Распределение электроэнергии набора фильтров октавы подражает, как более высокие частоты восприняты громче в белом шуме. Можно использовать наборы фильтров октавы, чтобы взвесить спектр для воспринятой громкости.
Воздействие центральной частоты на фильтрации полосы октавы
Обработайте речевой сигнал использование различных полос октавы от банка ленточного фильтра октавы.
Разработайте 1/2 фильтр октавы с предполагаемой центральной частотой 800 Гц. Используйте isStandardCompliant, чтобы найти самую близкую совместимую центральную частоту.
octFilt = octaveFilter(800,'1/2 octave'); [complianceStatus,suggestedCenterFrequency] = isStandardCompliant(octFilt,'class 0')
complianceStatus = logical 0 suggestedCenterFrequency = 841.3951
Измените центральную частоту объекта octFilt к предложенной центральной частоте, возвращенной isStandardCompliant. Получите список допустимых частот центра ANSI S1.11-2004, учитывая вашу заданную частоту центра octFilt.
octFilt.CenterFrequency = suggestedCenterFrequency; Fo = getANSICenterFrequencies(octFilt);
Создайте считывающее устройство звукового файла и средство записи аудио устройства.
fileReader = dsp.AudioFileReader('Counting-16-44p1-mono-15secs.wav'); deviceWriter = audioDeviceWriter('SampleRate',fileReader.SampleRate);
Создайте осциллограф, чтобы визуализировать отфильтрованные и неотфильтрованные сигналы.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer(... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false,... 'FrequencyScale','Log',... 'Title','Octave-Band Filtering',... 'ShowLegend',true,... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
В цикле аудиопотока обработайте звуковой сигнал с помощью ленточного фильтра октавы. Отличайтесь центральная частота, чтобы услышать эффект. Как лучшая практика, выпустите свои объекты после обработки.
index = 12; octFilt.CenterFrequency = Fo(index); count = 1; while ~isDone(fileReader) x = fileReader(); y = octFilt(x); scope([x,y]) deviceWriter(y); if mod(count,100)==0 octFilt.CenterFrequency = Fo(index); index = index+1; end count = count+1; end release(scope) release(deviceWriter) release(fileReader)
Удалите шум из тональной шкалы
Удалите аддитивный шум из аудио тональной шкалы с помощью Системы octaveFilter object™.
Создайте audioOscillator и Системные объекты audioDeviceWriter со свойствами по умолчанию. Создайте Системный объект octaveFilter с центральным набором частоты к 100 Гц.
osc = audioOscillator; deviceWriter = audioDeviceWriter; octFilt = octaveFilter(100);
В цикле аудиопотока слушайте тон, созданный вашим аудио осциллятором. Тон содержит аддитивный Гауссов шум.
for i = 1:400 x = osc(); x1 = x + 0.1*randn(512,1); deviceWriter(x1); if rem(i,100)==0 osc.Frequency = osc.Frequency*2; end end
Создайте спектр анализатор, чтобы просмотреть ваши отфильтрованные и неотфильтрованные сигналы.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer( ... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false, ... 'FrequencyScale','Log', ... 'FrequencyResolutionMethod','WindowLength', ... 'Title','Octave-Band Filtering', ... 'ShowLegend',true, ... 'SpectralAverages',10, ... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
Сбросьте частоту своего аудио осциллятора к его значению по умолчанию, 100 Гц.
osc.Frequency = 100;
В цикле аудиопотока отфильтруйте поврежденный тон с помощью ленточного фильтра октавы. Когда тональная частота изменений в цикле, измените центральную частоту своего фильтра октавы, чтобы соответствовать. Как лучшая практика, выпустите свое аудио устройство, однажды сделанное.
for i = 1:400 x = osc(); x1 = x + 0.1*randn(512,1); x2 = octFilt(x1); deviceWriter(x2); if rem(i,100)==0 osc.Frequency = osc.Frequency*2; octFilt.CenterFrequency = octFilt.CenterFrequency*2; end scope([x1,x2]) end release(deviceWriter)
Разработайте совместимые высокочастотные фильтры
Разработайте фильтр октавы шестого порядка 1/3 с частотой дискретизации 96 кГц.
octFilt = octaveFilter('FilterOrder',6, ... 'Bandwidth','1/3 octave', ... 'SampleRate',96e3);
Задайте центральные частоты по стандарту ANSI S1.11-2004. Центральные частоты, заданные стандартом, зависят от свойств Bandwidth и SampleRate.
centerFrequencies = getANSICenterFrequencies(octFilt)
Установите центральную частоту фильтра октавы к 19,953 кГц и визуализируйте ответ с маской соответствия 'класса 0'.
octFilt.CenterFrequency = centerFrequencies(38);
visualize(octFilt,'class 0')Красная маска на графике задает границы для ответа значения фильтра. Ответ значения этого фильтра выходит за предел верхней границы маски соответствия приблизительно 6,6 кГц. Один способ противостоять этому состоит в том, чтобы увеличить порядок фильтра так, чтобы спад фильтра был более крутым.
Чтобы принести проект фильтра октавы в соответствие, установите порядок фильтра октавы к 8.
octFilt.FilterOrder = 8;
Другая опция, чтобы принести проект фильтра октавы в соответствие должна установить свойство Overample на true. Это разрабатывает и запускает фильтр в дважды заданном SampleRate, чтобы уменьшать эффекты билинейного преобразования во время стадии проектирования.
octFilt.FilterOrder = 6; octFilt.Oversample = true;
Разработайте совместимые низкочастотные фильтры
Разработайте фильтр октавы шестого порядка 2/3 с частотой дискретизации на 96 кГц.
octFilt = octaveFilter('FilterOrder',6, ... 'Bandwidth','2/3 octave', ... 'SampleRate',96e3);
Задайте центральные частоты по стандарту ANSI S1.11-2004. Центральные частоты, заданные стандартом, зависят от свойств Bandwidth и SampleRate.
centerFrequencies = getANSICenterFrequencies(octFilt)
Установите центральную частоту фильтра октавы к ~6 Гц и визуализируйте ответ с маской соответствия 'класса 0'.
octFilt.CenterFrequency = centerFrequencies(2);
visualize(octFilt,'class 0')Красная маска на графике задает границы для ответа значения фильтра. Ответ значения этого фильтра понижается нижняя граница маски соответствия между 5.5 и 7,5 Гц.
Низкочастотные фильтры в наборе фильтров октавы очень низко нормировали центральные частоты, и фильтры, разработанные для них, имеют полюса, которые находятся почти на модульном круге. Чтобы сделать этот ANSI фильтра совместимым, это должно разрабатываться и управляться на уровне более низкой частоты дискретизации.
Чтобы принести проект фильтра октавы в соответствие, установите частоту дискретизации на 48 кГц.
octFilt.SampleRate = 48e3;
Настройте параметры фильтра октавы
Создайте dsp.AudioFileReader, чтобы читать в покадровом аудио. Создайте audioDeviceWriter, чтобы записать аудио в вашу звуковую карту. Создайте octaveFilter, чтобы обработать аудиоданные. Вызовите visualize, чтобы построить частотную характеристику фильтра октавы.
frameLength = 1024; fileReader = dsp.AudioFileReader('RockDrums-44p1-stereo-11secs.mp3', ... 'SamplesPerFrame',frameLength); deviceWriter = audioDeviceWriter('SampleRate',fileReader.SampleRate); octFilt = octaveFilter('SampleRate',fileReader.SampleRate); visualize(octFilt)
Вызовите parameterTuner, чтобы открыть пользовательский интерфейс для настроек параметров octaveFilter при потоковой передаче.
parameterTuner(octFilt)
В цикле аудиопотока:
Читайте в кадре аудио из файла.
Примените фильтрацию октавы.
Запишите кадр аудио к вашему аудио устройству для слушания.
При потоковой передаче настройки параметров октавы фильтруют и слушают эффект.
while ~isDone(fileReader) audioIn = fileReader(); audioOut = octFilt(audioIn); deviceWriter(audioOut); drawnow limitrate % required to update parameter end
Как лучшая практика, выпустите свои объекты, однажды сделанные.
release(deviceWriter) release(fileReader) release(octFilt)
Больше о
Алгоритмы
Создание цифровых фильтров
Системный объект octaveFilter реализует цифровой метод разработки полосового фильтра высшего порядка, заданный в [1].
В этом методе разработки желаемый цифровой полосовой фильтр сопоставляет с Баттервортом lowpass аналоговый прототип, который затем сопоставлен назад с цифровым полосовым фильтром:
Аналоговый Фильтр Баттерворта выражается как каскад разделов второго порядка:
где:
N является порядком фильтра, заданным свойством
FilterOrder.Аналоговый Фильтр Баттерворта сопоставлен с цифровым фильтром с помощью полосовой версии билинейного преобразования:
где
Это отображение приводит к следующей замене:
Аналоговый прототип оценен:
Поскольку s второго порядка в z, полосовая версия билинейного преобразования является четвертым порядком в z.
Ссылки
[1] , Софокл Дж. Введение в обработку сигналов. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 2010.
[2] Акустическое общество Америки. Американская национальная стандартная спецификация для аналога полосы октавы и Дробной Полосы октавы и цифровых фильтров. ANSI S1.11-2004. Мелвилл, Нью-Йорк: акустическое общество Америки, 2009.