Октавный и дробный октавный фильтр
octaveFilter Система object™ выполняет фильтрацию октавной или дробной октавной полосы независимо по каждому входному каналу. Октавная полоса - это полоса частот, где наибольшая частота вдвое превышает наименьшую частоту. Октавные и дробные октавные фильтры обычно используются для имитации того, как люди воспринимают громкость. Октавные фильтры лучше всего понять, если смотреть в логарифмической шкале, которая моделирует, как человеческое ухо весит спектр.
Для выполнения октавной или дробной октавной фильтрации на входе:
Создать octaveFilter и задайте его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как если бы это была функция.
Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе Что такое системные объекты?.
octFilt = octaveFilter создает объект System, octFilt, которая выполняет фильтрацию в октавной полосе независимо по каждому входному каналу.
octFilt = octaveFilter( устанавливает для свойства StartFrequency значение centerFreq)centerFreq.
octFilt = octaveFilter( устанавливает для свойства Bandwidth значение centerFreq,bw)bw.
octFilt = octaveFilter(___, задает каждое свойство Name,Value)Name к указанному Value. Неопределенные свойства имеют значения по умолчанию.
octFilt = octaveFilter(1000,'1/3 octave','SampleRate',96000) создает объект System, octFiltс центральной частотой 1000 Гц, полосой пропускания фильтра 1/3 октавы и частотой дискретизации 96 000 Гц.Чтобы использовать функцию объекта, укажите объект System в качестве первого входного аргумента. Например, для освобождения системных ресурсов объекта System с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Примечание
octaveFilter поддерживает дополнительные функции анализа фильтров. Дополнительные сведения см. в разделе Анализ конструкции октавного фильтра.
Использовать octaveFilter для проектирования фильтра 1/3 октавной полосы, центрированного на частоте 1000 Гц. Обработка звукового сигнала с помощью октавного фильтра.
Создать dsp.AudioFileReader объект.
samplesPerFrame = 1024; reader = dsp.AudioFileReader('RockGuitar-16-44p1-stereo-72secs.wav','SamplesPerFrame',samplesPerFrame);
Создание octaveFilter объект. Используйте частоту дискретизации считывателя в качестве частоты дискретизации октавного фильтра.
centerFreq = 1000; bw = '1/3 octave'; Fs = reader.SampleRate; octFilt = octaveFilter(centerFreq,bw,'SampleRate',Fs);
Визуализируйте отклик фильтра и убедитесь, что он соответствует маске класса 0 стандарта ANSI S1.11-2004.
visualize(octFilt,'class 0')
Создайте анализатор спектра для визуализации исходного звукового сигнала и звукового сигнала после октавной фильтрации.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer( ... 'SampleRate',Fs, ... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false, ... 'FrequencyScale','Log', ... 'FrequencyResolutionMethod','WindowLength', ... 'WindowLength',samplesPerFrame, ... 'Title','Octave-Band Filtering', ... 'ShowLegend',true, ... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
Обработка аудиосигнала в контуре аудиопотока. Визуализируйте отфильтрованный звук и исходный звук. Рекомендуется по завершении деблокировать системные объекты.
while ~isDone(reader) x = reader(); y = octFilt(x); scope([x(:,1),y(:,1)]) end release(octFilt) release(reader) release(scope)
Создайте октавный фильтр. Визуализируйте ответ фильтра и убедитесь, что он соответствует классу 2.
octFilt = octaveFilter('CenterFrequency',1000); visualize(octFilt,'class 2')
Анализ фильтра с помощью fvtool.
fvtool(octFilt,'Fs',octFilt.SampleRate)
octaveFilter объект поддерживает несколько методов анализа фильтров. Для получения дополнительной информации используйте help в командной строке:
help octaveFilter.helpFilterAnalysis The following analysis methods are available for discrete-time filter System objects:
fvtool - Filter visualization tool
info - Filter information
freqz - Frequency response
phasez - Phase response
zerophase - Zero-phase response
grpdelay - Group delay response
phasedelay - Phase delay response
impz - Impulse response
impzlength - Length of impulse response
stepz - Step response
zplane - Pole/zero plot
cost - Cost estimate for implementation of the filter System object
measure - Measure characteristics of the frequency response
order - Filter order
coeffs - Filter coefficients in a structure
firtype - Determine the type (1-4) of a linear phase FIR filter System object
tf - Convert to transfer function
zpk - Convert to zero-pole-gain
ss - Convert to state space representation
isallpass - Verify if filter System object is allpass
isfir - Verify if filter System object is FIR
islinphase - Verify if filter System object is linear phase
ismaxphase - Verify if filter System object is maximum phase
isminphase - Verify if filter System object is minimum phase
isreal - Verify if filter System object is minimum real
issos - Verify if filter System object is in second-order sections form
isstable - Verify if filter System object is stable
realizemdl - Filter realization (Simulink diagram)
specifyall - Fully specify fixed-point filter System object settings
cascade - Create a FilterCascade System object
Second-order sections:
scale - Scale second-order sections of BiquadFilter System object
scalecheck - Check scaling of BiquadFilter System object
reorder - Reorder second-order sections of BiquadFilter System object
cumsec - Cumulative second-order section of BiquadFilter System object
scaleopts - Create an options object for second-order section scaling
sos - Convert to second-order-sections (for IIRFilter System objects only)
Fixed-Point (Fixed-Point Designer Required):
freqrespest - Frequency response estimate via filtering
freqrespopts - Create an options object for frequency response estimate
noisepsd - Power spectral density of filter output due to roundoff noise
noisepsdopts - Create an options object for output noise PSD computation
Multirate Analysis:
polyphase - Polyphase decomposition of multirate filter System object
gain (CIC decimator) - Gain of CIC decimator filter System object
gain (CIC interpolator) - Gain of CIC interpolator filter System object
For decimator, interpolator, or rate change filter System objects
the analysis tools perform computations relative to the rate at
which the filter is running. If a sampling frequency is specified,
it is assumed that the filter is running at that rate.
Help for octaveFilter.helpFilterAnalysis is inherited from superclass DSP.PRIVATE.FILTERANALYSIS
Обработка речевого сигнала с использованием различных октавных полос из набора фильтров октавной полосы.
Спроектируйте 1/2 октавный фильтр с расчетной частотой центра 800 Гц. Использовать isStandardCompliant для поиска ближайшей соответствующей центральной частоты.
octFilt = octaveFilter(800,'1/2 octave'); [complianceStatus,suggestedCenterFrequency] = isStandardCompliant(octFilt,'class 0')
complianceStatus = logical 0 suggestedCenterFrequency = 841.3951
Изменение центральной частоты octFilt объект на предложенную центральную частоту, возвращенный isStandardCompliant. Получите список допустимых частот центра ANSI S1.11-2004, указанных вами octFilt центральная частота.
octFilt.CenterFrequency = suggestedCenterFrequency; Fo = getANSICenterFrequencies(octFilt);
Создайте модуль чтения аудиофайлов и модуль записи аудиоустройств.
fileReader = dsp.AudioFileReader('Counting-16-44p1-mono-15secs.wav'); deviceWriter = audioDeviceWriter('SampleRate',fileReader.SampleRate);
Создайте область для визуализации отфильтрованных и нефильтрованных сигналов.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer(... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false,... 'FrequencyScale','Log',... 'Title','Octave-Band Filtering',... 'ShowLegend',true,... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
В цикле аудиопотока обработайте аудиосигнал с помощью фильтра октавной полосы. Измените центральную частоту, чтобы услышать эффект. Рекомендуется деблокировать 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)
Удаление аддитивного шума из шкалы звуковых сигналов с помощью octaveFilter.
Создать audioOscillator и audioDeviceWriter объекты со свойствами по умолчанию. Создание octaveFilter объект с центральной частотой 100 Гц.
osc = audioOscillator; deviceWriter = audioDeviceWriter; octFilt = octaveFilter(100);
В цикле аудиопотока прослушивайте тональный сигнал, созданный звуковым генератором. 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 анализатор спектра для просмотра отфильтрованных и нефильтрованных сигналов.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer( ... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false, ... 'FrequencyScale','Log', ... 'FrequencyResolutionMethod','WindowLength', ... 'Title','Octave-Band Filtering', ... 'ShowLegend',true, ... 'SpectralAverages',10, ... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
Сбросьте частоту звукового генератора до значения по умолчанию, 100 Гц.
osc.Frequency = 100;
В цикле аудиопотока фильтруйте поврежденный тональный сигнал с помощью фильтра октавной полосы. При изменении частоты тонального сигнала в цикле измените центральную частоту октавного фильтра на соответствующую. Рекомендуется выпустить аудиоустройство после завершения.
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) release(scope)
Сконструировать 1/3-октавный фильтр шестого порядка с частотой дискретизации 96 кГц.
octFilt = octaveFilter('FilterOrder',6, ... 'Bandwidth','1/3 octave', ... 'SampleRate',96e3);
Получите центральные частоты, определенные стандартом ANSI S1.11-2004. Центральные частоты, определенные стандартом, зависят от Bandwidth и SampleRate свойства.
centerFrequencies = getANSICenterFrequencies(octFilt)
centerFrequencies = 1×53
104 ×
0.0000 0.0000 0.0000 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0001 0.0002 0.0002 0.0003 0.0003 0.0004 0.0005 0.0006 0.0008 0.0010 0.0013 0.0016 0.0020 0.0025 0.0032 0.0040 0.0050 0.0063 0.0079 0.0100 0.0126 0.0158 0.0200 0.0251 0.0316 0.0398 0.0501 0.0631 0.0794 0.1000 0.1259 0.1585 0.1995 0.2512 0.3162 0.3981 0.5012 0.6310 0.7943 1.0000 1.2589 1.5849 1.9953
Установите центральную частоту октавного фильтра 19,953 кГц и визуализируйте отклик с помощью маски соответствия «класс 0».
octFilt.CenterFrequency = centerFrequencies(38);
visualize(octFilt,'class 0')
Красная маска на графике определяет границы для амплитудной характеристики фильтра. Амплитудный отклик этого фильтра выходит за верхнюю границу маски соответствия около 6,6 кГц. Один из способов противостоять этому состоит в увеличении порядка фильтрации так, чтобы откат фильтра был более крутым.
Для приведения конструкции октавного фильтра в соответствие установите порядок октавного фильтра равным 8.
octFilt.FilterOrder = 8;
Другим вариантом приведения конструкции октавного фильтра в соответствие является установка Oversample свойство для true. При этом проектируется и запускается фильтр, в два раза превышающий указанный SampleRate для уменьшения влияния билинейного преобразования на этапе проектирования.
octFilt.FilterOrder = 6; octFilt.Oversample = true;
Сконструируйте 2/3-октавный фильтр шестого порядка с частотой дискретизации 96 кГц.
octFilt = octaveFilter('FilterOrder',6, ... 'Bandwidth','2/3 octave', ... 'SampleRate',96e3);
Получите центральные частоты, определенные стандартом ANSI S1.11-2004. Центральные частоты, определенные стандартом, зависят от Bandwidth и SampleRate свойства.
centerFrequencies = getANSICenterFrequencies(octFilt)
centerFrequencies = 1×25
104 ×
0.0000 0.0001 0.0001 0.0002 0.0003 0.0004 0.0006 0.0010 0.0016 0.0025 0.0040 0.0063 0.0100 0.0158 0.0251 0.0398 0.0631 0.1000 0.1585 0.2512 0.3981 0.6310 1.0000 1.5849 2.5119
Установите центральную частоту октавного фильтра в ~ 6 Гц и визуализируйте отклик с помощью маски соответствия «класс 0».
octFilt.CenterFrequency = centerFrequencies(2);
visualize(octFilt,'class 0')
Красная маска на графике определяет границы для амплитудной характеристики фильтра. Амплитудный отклик этого фильтра ниже нижней границы маски соответствия между 5,5 и 7,5 Гц.
Низкочастотные фильтры в банке октавных фильтров имеют очень низкие нормированные центральные частоты, а предназначенные для них фильтры имеют полюса, которые находятся почти на единичной окружности. Чтобы этот фильтр был совместим с ANSI, он должен быть спроектирован и работать с меньшей частотой дискретизации.
Для приведения конструкции октавного фильтра в соответствие установите частоту дискретизации 48 кГц.
octFilt.SampleRate = 48e3;
Создать dsp.AudioFileReader для чтения в аудио покадровом режиме. Создать audioDeviceWriter для записи звука на звуковую карту. Создание octaveFilter для обработки аудиоданных. Звонить visualize для построения графика частотной характеристики октавного фильтра.
frameLength = 1024; fileReader = dsp.AudioFileReader('RockDrums-44p1-stereo-11secs.mp3', ... 'SamplesPerFrame',frameLength); deviceWriter = audioDeviceWriter('SampleRate',fileReader.SampleRate); octFilt = octaveFilter('SampleRate',fileReader.SampleRate); visualize(octFilt)
Звонить parameterTuner для открытия пользовательского интерфейса для настройки параметров octaveFilter во время потоковой передачи.
parameterTuner(octFilt)
В цикле аудиопотока:
Считывание в кадре звука из файла.
Применить октавную фильтрацию.
Запишите кадр звука на аудиоустройство для прослушивания.
Во время потоковой передачи настройте параметры октавного фильтра и прослушайте эффект.
while ~isDone(fileReader) audioIn = fileReader(); audioOut = octFilt(audioIn); deviceWriter(audioOut); drawnow limitrate % required to update parameter end
Рекомендуется деблокировать объекты после их завершения.
release(deviceWriter) release(fileReader) release(octFilt)
createAudioPluginClass и configureMIDI функции отображают настраиваемые свойства octaveFilter к пользовательским параметрам:
| Собственность | Диапазон | Отображение | Единицы |
|---|---|---|---|
CenterFrequency | [3, 22000] | регистрация | Hz |
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' | Диапазон контроллера MIDI дискретизирован на семь уровней, соответствующих семи | –– |
octaveFilter Объект системы реализует метод проектирования цифрового полосового фильтра более высокого порядка, указанный в [1].
В этом способе конструирования требуемый цифровой полосовой фильтр сопоставляется с аналоговым прототипом нижних частот Баттерворта, который затем преобразуется обратно в цифровой полосовой фильтр:
Аналоговый фильтр Баттерворта выражается в виде каскада секций второго порядка:
⋯H2N (s),
где:
1,2,..., 2N
1,2,.., 2N
N - порядок фильтрации, заданный параметром FilterOrder собственность.
Аналоговый фильтр Баттерворта отображается на цифровой фильтр с использованием полосовой версии билинейного преобразования:
− 21 − z − 2,
где
sinstartpb.
Это отображение приводит к следующей замене:
cosobjectpbsinstartpb.
Оценивается аналоговый прототип:
2cz − 1 + z − 21 − z − 2
Поскольку s является вторым порядком в z, полосовой вариант билинейного преобразования является четвертым порядком в z.
[1] , Софокл Дж. Введение в обработку сигналов. Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Прентис Холл, 2010.
[2] Акустичное общество Америки. Американская национальная стандартная спецификация для октавных и дробных октавных аналоговых и цифровых фильтров. ANSI S1.11-2004. Мелвилл, Нью-Йорк: Акустичное общество Америки, 2009.
dsp.BiquadFilter | multibandParametricEQ | Октавный фильтр | octaveFilterBank | weightingFilter