Октавный и дробный октавный фильтр
The octaveFilter Система object™ выполняет октавно-диапазонную или дробно-октавно-диапазонную фильтрацию независимо по каждому входному каналу. Октавный диапазон является полосой частот, где самая высокая частота в два раза ниже самой низкой частоты. Октавно-диапазонные и дробные октавно-диапазонные фильтры обычно используются, чтобы имитировать, как люди воспринимают громкость. Октавные фильтры лучше всего понять при просмотре по логарифмической шкале, которая моделирует, как человеческое ухо взвешивает спектр.
Чтобы выполнить октавно-диапазонную или дробно-октавно-диапазонную фильтрацию на вашем входе:
Создайте octaveFilter Объекту и установите его свойства.
Вызывайте объект с аргументами, как будто это функция.
Дополнительные сведения о работе системных объектов см. в разделе «Что такое системные объекты?».
octFilt = octaveFilter создает Системный объект, octFilt, который выполняет октавно-полосную фильтрацию независимо по каждому входному каналу.
octFilt = octaveFilter( устанавливает свойство CenterFrequency на centerFreq)centerFreq.
octFilt = octaveFilter( устанавливает свойство Bandwidth на centerFreq,bw)bw.
octFilt = octaveFilter(___, устанавливает каждое свойство Name,Value)Name к заданной Value. Неопределенные свойства имеют значения по умолчанию.
octFilt = octaveFilter(1000,'1/3 octave','SampleRate',96000) создает Системный объект, octFilt, с центральной частотой 1000 Гц, шириной полосы фильтра 1/3 октавы и частотой дискретизации 96 000 Гц.Чтобы использовать функцию объекта, задайте системный объект в качестве первого входного параметра. Например, чтобы освободить системные ресурсы системного объекта с именем obj, используйте следующий синтаксис:
release(obj)
Примечание
octaveFilter поддерживает дополнительные функции анализа фильтра. Для получения дополнительной информации смотрите Analyze Octave Filter Design.
Использование octaveFilter для разработки фильтра диапазона 1/3 октавы с центром 1000 Гц. Обработайте аудиосигнал, используя создание фильтра.
Создайте dsp.AudioFileReader объект.
samplesPerFrame = 1024; reader = dsp.AudioFileReader('RockGuitar-16-44p1-stereo-72secs.wav','SamplesPerFrame',samplesPerFrame);
Создайте 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 ответ фильтра и проверьте, что он соответствует классу 0 маске стандарта ANSI S1.11-2004.
visualize(octFilt,'class 0')
Создайте анализатор спектра, чтобы визуализировать исходный аудиосигнал и аудиосигнал после октавно-диапазонной 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'});
Обработайте аудиосигнал в цикле аудиопотока. Визуализация отфильтрованного аудио и исходного аудио. В качестве наилучшей практики отпустите системные объекты по завершении.
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 проверьте, что он совместим с классом 2.
octFilt = octaveFilter('CenterFrequency',1000); visualize(octFilt,'class 2')
Анализируйте фильтр с помощью fvtool.
fvtool(octFilt,'Fs',octFilt.SampleRate)
The octaveFilter объект поддерживает несколько методов анализа фильтра. 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
Обработайте речевой сигнал, используя различные октавные полосы из группы фильтров октавного диапазона.
Создайте фильтр 1/2 октавы с предполагаемой центральной частотой 800 Гц. Использование isStandardCompliant чтобы найти ближайшую подходящую центральную частоту.
octFilt = octaveFilter(800,'1/2 octave'); [complianceStatus,suggestedCenterFrequency] = isStandardCompliant(octFilt,'class 0')
complianceStatus = logical 0 suggestedCenterFrequency = 841.3951
Измените центральную частоту octFilt объект предложенной центральной частоты, возвращаемый isStandardCompliant. Получите список допустимых частот центра S1.11-2004 ANSI, учитывая вашу указанную octFilt центральная частота.
octFilt.CenterFrequency = suggestedCenterFrequency; Fo = getANSICenterFrequencies(octFilt);
Создайте считыватель аудио файла и аудио устройства средства записи.
fileReader = dsp.AudioFileReader('Counting-16-44p1-mono-15secs.wav'); deviceWriter = audioDeviceWriter('SampleRate',fileReader.SampleRate);
Создайте возможности, чтобы визуализировать отфильтрованные и нефильтрованные сигналы.
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 октавно-диапазонного фильтра. Измените центральную частоту, чтобы услышать эффект. В качестве наилучшей практики отпустите 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 аддитивный шум из шкалы звукового тона с помощью octaveFilter.
Создание audioOscillator и audioDeviceWriter объекты со свойствами по умолчанию. Создайте octaveFilter объект с центральной частотой, установленной на 100 Гц.
osc = audioOscillator; deviceWriter = audioDeviceWriter; octFilt = octaveFilter(100);
В цикле аудиопотока слушайте тон, созданный вашим аудиопотоком 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 спектральный анализатор, чтобы просмотреть ваши фильтрованные и нефильтрованные сигналы.
scope = dsp.SpectrumAnalyzer( ... 'PlotAsTwoSidedSpectrum',false, ... 'FrequencyScale','Log', ... 'FrequencyResolutionMethod','WindowLength', ... 'Title','Octave-Band Filtering', ... 'ShowLegend',true, ... 'SpectralAverages',10, ... 'ChannelNames',{'Original signal','Filtered signal'});
Обнулите частоту аудио генератора по умолчанию, 100 Гц.
osc.Frequency = 100;
В цикле аудиопотока фильтруйте поврежденный тональный сигнал с помощью октавного фильтра. Когда тон изменяет частоту в цикле, измените центральную частоту вашего октавного фильтра, чтобы она совпадала. Как лучшая практика, выпустите своё аудио устройство после того, как сделано.
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)
Создайте фильтр шестого порядка 1/3 октавы со скоростью дискретизации 96 кГц.
octFilt = octaveFilter('FilterOrder',6, ... 'Bandwidth','1/3 octave', ... 'SampleRate',96e3);
Получите центральные частоты, заданные стандартом ANSI S1.11-2004. Центральные частоты, заданные 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 равной 19,953 кГц и визуализируйте ответ с маской податливости 'class 0'.
octFilt.CenterFrequency = centerFrequencies(38);
visualize(octFilt,'class 0')
Красная маска на графике определяет границы для амплитудной характеристики фильтра. Амплитудная характеристика этого фильтра идет выше верхней границы маски податливости около 6,6 кГц. Один из способов противостоять этому - увеличить порядок фильтра, чтобы сгиб фильтра был круче.
Чтобы привести октавное создание фильтра в податливость, установите порядок октавного фильтра равным 8.
octFilt.FilterOrder = 8;
Другой вариант, чтобы привести создание фильтра октавы в податливость, это задать Oversample свойство к true. Это проектирует и запускает фильтр с удвоенным заданным SampleRate уменьшить эффекты билинейного преобразования на стадии проекта.
octFilt.FilterOrder = 6; octFilt.Oversample = true;
Создайте фильтр шестого порядка 2/3 октавы со скоростью дискретизации 96 кГц.
octFilt = octaveFilter('FilterOrder',6, ... 'Bandwidth','2/3 octave', ... 'SampleRate',96e3);
Получите центральные частоты, заданные стандартом ANSI S1.11-2004. Центральные частоты, заданные 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 равной ~ 6 Гц и визуализируйте ответ с маской податливости 'class 0'.
octFilt.CenterFrequency = centerFrequencies(2);
visualize(octFilt,'class 0')
Красная маска на графике определяет границы для амплитудной характеристики фильтра. Величина реакция этого фильтра идет ниже нижней границы маски податливости между 5,5 и 7,5 Гц.
Низкочастотные фильтры в октавной группе фильтров имеют очень низкие нормированные центральные частоты, а разработанные для них фильтры имеют полюса, которые находятся почти на модуль круге. Чтобы сделать этот фильтр совместимым с ANSI, он должен быть спроектирован и работать с более низкой частотой дискретизации.
Чтобы привести октавное создание фильтра в податливость, установите частоту дискретизации 48 кГц.
octFilt.SampleRate = 48e3;
Создайте dsp.AudioFileReader для чтения в аудиокадре за кадром. Создайте audioDeviceWriter чтобы записать аудио на звуковую карту. Создайте octaveFilter для обработки аудио данных. Функции 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)
Функции parameterTuner чтобы открыть пользовательский интерфейс для настройки параметров octaveFilter во время потоковой передачи.
parameterTuner(octFilt)
В цикле аудиопотока:
Чтение в системе координат аудио из файла.
Применить октавную фильтрацию.
Запишите систему координат аудио в своё аудио устройство 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
Как лучшая практика, отпустите объекты после выполнения.
release(deviceWriter) release(fileReader) release(octFilt)
createAudioPluginClass и configureMIDI функции сопоставляют настраиваемые свойства octaveFilter к пользовательским параметрам:
| Свойство | Область значений | Отображение | Модули |
|---|---|---|---|
CenterFrequency | [3, 22000] | журнал | 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' | Ваша область значений контроллеров MIDI дискретизирована на семь уровней, соответствующих семи | –– |
The octaveFilter Системный объект реализует метод цифрового создания фильтра полосы пропускания более высокого порядка, указанный в [1].
В этом способе проекта требуемый цифровой полосно-пропускающий фильтр преобразуется в аналоговый прототип Butterworth lowpass, который затем преобразуется обратно в цифровой полосно-пропускающий фильтр:
Аналоговый фильтр Баттерворта выражается как каскад секций второго порядка:
где:
N - порядок фильтра, заданный FilterOrder свойство.
Аналоговый фильтр Баттерворта преобразуется в цифровой фильтр с помощью полосно-пропускающей версии билинейного преобразования:
где
Это отображение приводит к следующей замене:
Аналоговый прототип оценивается:
Поскольку s является вторым порядком по z, полосно-пропускающая версия билинейного преобразования является четвертым порядком по z.
[1] , Sophocles J. Введение в обработку сигналов. Englewood Cliffs, Нью-Джерси: Prentice Hall, 2010.
[2] Акустическое общество Америки. Американская национальная стандартная спецификация для аналоговых и цифровых фильтров Octave-Band и Fractional-Octave-Band. ANSI S1.11-2004. Melville, NY: Acoustical Society of America, 2009.
dsp.BiquadFilter | multibandParametricEQ | Octave Filter | octaveFilterBank | weightingFilter