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发表于 2006-7-8
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脉冲响应作为滤波器
那些制作扬声器和房间测量的人都熟悉脉冲响应。尽管可以通过记录系统播放的Dirac脉冲来测量,但各种因素表明这种技术是完全不切实际的。大多数测量系统通过播放对数正弦波扫频信号或“线性调频”信号,捕捉系统响应并处理后获得IR响应。IR可以转换为频域图形(快速傅里叶变换或FFT),并显示为振幅/相位图。振幅/相位图可转换(反向快速傅立叶变换或iFFT)回时域以作为脉冲显示。也就是说,可以从时域或频域方面来描述滤波器的行为特性。如果您通常使用双通道FFT测量平台的话,那么您就已经熟悉这些概念了。
这与FIR滤波器有什么关系?扬声器和房间的脉冲响应是FIR滤波器,由于长度有限,它们会完全衰减到零(或本底噪声)。使用GratisVolver软件来对使用了消声材料的房间脉冲响应(RIR)进行卷积计算的人,实际上就是在使用FIR滤波器(图9)。因此,尽管在实际使用中可能是通过软件或硬件在频域中使用乘积法实现,FIR有时会被称为“时域”或“卷积”滤波器。
图9:
使用GratisVolver软件对使用消声材料的
房间的脉冲响应(FIR滤波器)进行卷积计算。
图10:
3英寸扬声器的频响曲线(红色)及其共轭响应(绿色)。如果绿色图形用作均衡滤波器,则结果是完美的响应。(频域中的平坦频响曲线和线性相位,以及时域中的完美脉冲)。
扬声器的IR可以转换为频域图形并显示为频率振幅和相位。 如果在频域中反转IR(上下颠倒),则是扬声器在振幅和相位响应上的精确共轭(相反)(图10)。如果原始和共轭响应相乘,则它们完全相互抵消,产生平坦的幅度和相位响应曲线(频域)或时域中的完美脉冲。
这对均衡工作有很大影响 - 任何测量响应都可以用作滤波器。 FIR“校正”滤波器可用于:
1. 使扬声器的频率响应和相位响应曲线完全平坦,甚至能够补偿由喉管反射,格栅效应和边缘衍射引起的异常。
2. 修正房间异常情况,如扬声器附近的边界效应,以及(理论意义大于实际意义)房间反射。
3. 通过对线性阵列当中的每一个阵列组件进行单独处理来优化线性阵列的响应特性,能够实现模拟滤波器所不能实现的波束成形和波束指向控制。
FIR可以对节目素材进行卷积计算并用作滤波器。虽然这个概念已经存在数十年了,但直到现在才得以实现。许多DSP开始支持FIR滤波器的应用,允许对IR进行实时卷积计算。
但是,在对获得“完美”的扬声器响应特性并消除房间反射感到兴奋之前,我们还需要讨论更多内容。
通过FIR滤波器可以在空间中的某一点获得“完美”的响应特性。但是,由于空间中每个点的IR特性都不一样,所以我们不能将“修正”扩展到一个区域。 这并不意味着FIR均衡是没有用的,只不过是还没有达到完美的听觉体验。我们必须接受在一些特定条件下才能在某些方面受益,并且随着房间面积的增加这些受益的获得也会随之更加困难。
结论
以下是FIR滤波器介绍中的一些实用集锦:
1. FIR可以改变扬声器的振幅响应,而不改变它的相位响应。这个特性允许我们使用斜率非常陡峭的分频滤波器而不会引起相位响应的偏移。获得这种线性相位特性的代价是延时的增加。
2.任何测量获得的脉冲响应都可以用作FIR滤波器。这个特性允许我们对房间测量数据进行“聆听“,例如使用GratisVolver软件或者进行使用模拟滤波器无法实现的均衡优化。这些工作甚至可以在飞行中完成,例如对会议系统进行回声消除优化。
3. FIR可以植入进行卷积计算的软件。例如使用GratisVolver来“聆听”房间脉冲响应。
4. FIR植入硬件设备,用于实时信号处理。现在已经有多个DSP产品支持用户自定义FIR滤波器。
所以在扩声系统领域中,FIR的主要用途是:
1. 分频网络
2. 扬声器均衡校正。
3. 通过卷积计算软件“聆听”房间响应,无论这个响应数据是由房间建模程序生成还是测量所得。
4. 在线性阵列系统中用于波束成形。
音频滤波器不再仅限于电容、电感和电阻的集合,或者通过使用集成电路实现同样功能的等效电路。它们还可以通过测量或数学算法生成,并通过先进的数字信号处理技术实现实时处理。 |
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