Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов, практический подход (2-е изд., 2004), страница 170

В традиционном микшерном пульте выравнивание аудиосигналов выполняется за счет аналоговой фильтрации, но наблюдается тенденция к переходу на чисто цифровые микшерные пульты, поскольку это предлагает улучшенное качество звука и потенциальное снижение стоимости производства в будущем.

В полностью цифровом микшере аналоговые фильтры заменяются эквивалентными цифровыми фильтрами реального времени. Ниже описан полупараметрический эквалайзер реального времени, реализованный с использованием высокоскоростного цифрового процессора с плавающей запятой ТМБ320СЗО. Стандартный параметрический эквалайзер позволяет пользователю выбирать конкретную частоту в полосе аудиочастот и настраивать уровень аудиосигнала на одной частоте нли в диапазоне частот. Используются фильтры трех основных типов. ° Звонковый фильтир. Позволяет усиливать или подавлять определенную частоту в полосе аудиочастот.

Звонковый фильтр — это, по сути, полосовой фильтр с иастра- 'Данный проект основан на выпускной работе одного на наших бывших студентов — Рабина Кларка (Кома С!атйх 14.2. Приложения ЦОС ьхвю )5,ВЮ )о,вю 5,000 о,вю и -5,000 е -)о,вю -)5,000 -)О,ВЮ 10 )ок яж у )к )ОО а) )о,ооо ) 5,000 зе ) а,ооа 5,ВЮ л о,вю а -5,000 е -)ол)ю -) 5,000 -м,ооо ю пю )к юк юк у б) Рис.

14.18. Амплитулнал характеристика эаонаоаого фильтра ллл различных пснтральных частот и ширин полос (панель а). Амплитулнак характеристика Уолочного фильтра (панель 6) иваемым усилением, добротностью и центральной частотой. Центральная частота может меняться в диапазоне 20 — 16 кГц, добротность — в диапазоне 0,5-3, а усиление — в интервале ~15 дБ. Пример характеристики звонювого фильтра приведен на рис. 14.18, а. ° Поличный филылр. Позволяет регулировать усиление и частоту среза эквалайзера в интервале, принадлежащем либо диапазону верхних частот, либо диапазону нижних частот аудиополосы.

Полочковые фильтры нижних частот используются для усиления или подавления полосы низких частот, например, между 20 и 500 Гц, а полочковые фильтры верхних частот — для усиления или подавления полосы высоких частот, например, между 1,6 и 16 кГц. Обычная регулировка верхних и нижних звуковых частот в домашних аудиосистемах фактически выполняется с помощью полочювых фильтров с фиксированными характеристиками. Типичная характеристика указанного фильтра приведена на рис. 14.18, б. ° Пропускающие филынры. Это, по сути, фильтры нижних частот и верхних частот с фиксированными частотами среза, которые используются для удаления низко- и высокочастотного шума из аудиосигнала. Полное выравнивание выполняется за счет совместного использования основных фильтров.

В аналоговых эквалайзерах характеристики фильтра (усиление, центральная частота, добротность и т.д.) регулируются пользователем посредством интерактивного управления (переменные резисторы, реоси)алты). В цифровой реализации настройка 966 Глава 14. Приложения и разобранные примеры выполняется путем замены в реальном времени коэффициентов цифрового фильтра в ответ на изменение параметров эквалайзера. Анализ типичного аналогового параметрического эквалайзера показывает, что фильтры всех указанных выше типов можно рассматривать как фильтр Баттерворта, передаточные функции которых имеют следующую форму [б1: для звонкового фильтра— г+1 + зг+ Вы„з+ ыг для низкочастотного полочкового фильтра— зг + 2Агз„з + Агыг зг+ 2Вгг„з+ Вгыг ' (14.18, б) для высокочастотного полочкового фильтра— Агзг + 2Аы„з + ыг В'з' + 2В~„з + ыг, ' (14.18, в) где А = СЯ, В = 1/Я.

Чтобы достичь производительности, сравнимой с производительностью традиционного аналогового эквалайзера, указанные выше аналоговые фильтры заменяются эквивалентными цифровыми путем преобразования приведенных передаточных функций, записанных на з-плоскости, с помощью билинейного г-преобразования гсм. главу 8).

Все получающиеся передаточные функции на г-плоскости можно записать в форме агг + 6г + с сЬг+ ег+ 1 (14.19) где Рг 1 1Р+ г 1 2 г 2рг Рг 1Р1 г ,1 Рг+ ВР+ьгг е 2г,г 2Рг Г )гг ВР 1 ыг Р = —,юр — — — 18 Модельные задачи показывают, что, поскольку параметры эквалайзера настраиваются в диапазоне аудиочастот, для учета большого разброса в диапазоне значений коэффициентов фильтра должна использоваться арифметика с плавающей запятой. Такая арифметика также привлекательна тем, что позволяет легче пересчитывать коэффициенты фильтра с помошью билинейного г-преобразования в "реальном времени", чтобы можно было выполнять оперативную настройку характеристик эквалайзера.

997 14.3. Модельные задачи Музыка е со-щ р и К гроыкогоеаркгел Рне. 14.19. Унронзеннан блок-алема лемонограцнонного модуля ТМЗЗ20СЗО Эквалайзер был реализован на компьютерном демонстрационном модуле ТМЯ320СЗО, содержащем процессор ТМЯ320СЗО, 14-битовый модуль АЦП/ЦАП и пакет программной разработки. Упрощенная блок-схема параметрического эквалайзера на основе ТМБ320СЗО показана на рис.

14.19. Аналоговый аудиосигнал (например, поступающий с проигрывателя компакт-дисков) оцифровывается до 14 бит с частотой порядка 18,9 кГц и передается на процессор, где он проходит цифровую фильтрацию с помощью звонкового, полочкового и/или пропускного фильтра. Для настройки параметров эквалайзера (усиление, частота, тип фильтра) используется клавиатура, а на дисплее динамически отображается частотная характеристика эквалайзера. В демонстрационном модуле и персональном компьютере проходит несколько процессов. Процессор ТМЯ320СЗО выполняет фильтрацию, необходимую для выравнивания, и пересчитывает коэффициенты фильтра для эквалайзера, когда пользователь настраивает его параметры.

Пересчет коэффициентов происходит в фоновом режиме, а фильтрация управляется прерываниями. Программа написана на языке А)з(81 С, а арифметические операции выполняются с использованием плавающей запятой (24-битовая мантисса и 8-битовая экспонента). Фрагменты кодов С для фильтрации и расчета коэффициентов можно найти в книге 1201 (подробности см. в предисловии). Производительность эквалайзера оценивалась для различных выбранных параметров с использованием музыки от проигрывателя компакт-дисков.

Сделан вывод: эквалайзер достаточно эффективен. На настоящее время ограничением является только то, что демонстрационный модуль допускает частоту дискретизации максимум 18,9 кГц, тогда как для профессиональной работы требуется частота 44,1 кГц. 14.3. МОд6ЛЬНЫ6 ЗВУЧИ -"-! -,, -';: .':..„': з'-':"у ..:,: =' В большинстве курсов по ЦОС выигрышной стратегией часто является постановка одной или нескольких серьезных практических задач, работать над решением которых можно индивидуально или группами. Предназначение подобных задач — дать студенту возможность получить более глубокие знания ЦОС.

Данные задачи построены на нескольких аспектах концепций ЦОС и могут ставиться ближе к концу курса или ранее (в последнем случае студент овладеет концепциями как раз тогда, когда они ему станут необходимы). Глава 14. Приложения и разобранные примерю 968 Рие. 14.20. Схема снижения шума второго норялха В данном разделе представлено несколько подобных серьезных задач, которые авторы нашли полезными в некоторых прочитанных ими курсах. Указано также, какие обучаюгцие цели ставились, и какие подзадачи предполагалось использовать.

1. Схемы снижения шума округления для цифровых БИХ-фильтров с фиксированной запятой На рис. 14.20 показана структура цифрового БИХ-фильтра второго порядка со схемой обратной связи по ошибке, предназначенной для уменьшения ошибок округления произведений. Фильтр требуется реализовать с использованием арифметики с дополнением до двух на процессоре ЦОС с архитектурой "В/2В бит". Коэффициенты и другие переменные хранятся как В-битовые слова, и произведения квантуются после суммирования. Коэффициенты схемы обратной связи по ошибке могут принимать одно из указанных значений: О, х0,25, +0,5, х0,75, х1, х1,25, х1,5, х1,75, *2.

А. Выведите общую формулу для следующих величин: 1) передаточная функция, связывающая источник шума округления е(п) и выход фильтра у(п); 2) выходная мощность шума, порожденного ошибками округления; 3) отношение сигнал-шум на выходе фильтра; предполагается, что входной сиг- нал х(п) — синусоида с известной частотой, квантованная до В бит; 4) положения нулей цепи обратной связи. Б. Разработайте 1) алгоритм вычисления входной мощности шума, порожденного ошибкой округ- ления, отношения сигнал-шум на выходе фильтра и положения нулей цепи об- 14.3.

Модельные задачи 969 ратной связи по данным значениям неквантованных юэффициентов фильтра, юэффициентов обратной связи и длины слова системы В; 2) программу МАТЮКАВ, реализующую алгоритм Б.1. В. Используйте написанную программу МАТ1.АВ плюс другие утилиты МАП.АВ, чтобы исследовать влияние схемы обратной связи по ошибке на уровень шума округления произведений для каждого из указанных ниже фильтров (задачу следует повторить для двух ситуаций: В = 16 бит и В = 24 бит) [9].