多段式數(shù)字音調(diào)控制器設(shè)計(jì)

王冠 張瑞華 張秀麗

摘要：文章介紹了數(shù)字音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行了仿真調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多段式數(shù)字音調(diào)控制器可以對(duì)整個(gè)音頻頻段范圍內(nèi)的音頻信號(hào)幅度分段進(jìn)行提升或衰減，以改變聽覺效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)字音調(diào)控制器;數(shù)字濾波;仿真調(diào)試;音頻頻段;音頻信號(hào)幅度 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN721 文章編號(hào)：1009-2374（2016）04-0005-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.04.003

1 概述

在音頻信號(hào)的拾取及通過各類音響設(shè)備的傳輸過程中，由于音響設(shè)備或器件的幅頻特性并非完全平坦的理想特性，這樣就改變了原信號(hào)中不同頻率成分信號(hào)的幅度。而音調(diào)控制器就是一個(gè)可以人為改變信號(hào)高、低頻成分的增益設(shè)備。一個(gè)好的音調(diào)控制器有以下四個(gè)方面的作用：一是最基本的作用，能補(bǔ)償、校正音響設(shè)備所產(chǎn)生的頻率失真;二是可以校正劇場(chǎng)等放音場(chǎng)所傳輸增益的頻率失真;三是可以調(diào)整信號(hào)中易反饋的頻率成分，從而抑制聲反饋提高傳聲效果;四是在音樂藝術(shù)創(chuàng)作中利用它來渲染氣氛、刻畫演員個(gè)性，提高藝術(shù)表現(xiàn)效果。

音調(diào)控制器可以采用電感、電容、電阻元件組成的諧振電路來實(shí)現(xiàn)。選擇不同的元件參數(shù)的組合，可得到各種不同諧振頻段、不同增益的諧振器。采用多個(gè)具有諧振特性的諧振器構(gòu)成了多段式音調(diào)控制器。諧振電路的本質(zhì)是模擬帶通濾波器，雖然可以通過選擇不同的元件參數(shù)實(shí)現(xiàn)頻率和增益的調(diào)節(jié)，但模擬電路元件參數(shù)本身具有很大的分散性，標(biāo)稱值與理論值誤差較大，導(dǎo)致頻率等參數(shù)的實(shí)測(cè)值與理論值誤差較大，同時(shí)知道頻率參數(shù)后根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算元件參數(shù)也很困難，更不利于自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，所以利用諧振電路實(shí)現(xiàn)多段音調(diào)調(diào)節(jié)存在諸多問題。本文利用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，采用數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)多段式數(shù)字音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)。

2 數(shù)字音調(diào)控制器的參數(shù)

我們知道，數(shù)字音調(diào)控制器的最主要作用就是能夠方便地對(duì)所需的頻率成分進(jìn)行提升或衰減，因此分為提升控制器和衰減控制器兩類。所謂提升就是將所需頻率成分的幅度加以提高（大于0dB），所謂衰減就是將所需頻率成分的幅度加以抑制（小于0dB）。音調(diào)控制器在對(duì)所需的頻率成分進(jìn)行提升或者衰減的同時(shí)，希望對(duì)其他的頻率成分無影響。由上所述，單段理想數(shù)字音調(diào)控制器的幅頻特性如圖1所示。多個(gè)單段音調(diào)控制器級(jí)聯(lián)就組成了多段數(shù)字音調(diào)控制器。依據(jù)數(shù)字濾波器的基本概念，定義所需操作的頻率為數(shù)字音調(diào)控制器的中心頻率f0;提升音調(diào)控制器中心頻率處對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度為增益G，衰減音調(diào)控制器中心頻率處對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅度為增益1/G;提升音調(diào)控制器0.7G、衰減音調(diào)控制器0.7/G增益處對(duì)應(yīng)的頻率稱為上限截止頻率fH和下限截止頻率fL，兩者之差稱為3dB帶寬B，即B=fH-fL。改變中心頻率f0、增益G和3dB帶寬B這三個(gè)參數(shù)中的任意一項(xiàng)，就能顯著改變數(shù)字音調(diào)控制器的控制效果，因此，這三個(gè)參數(shù)定義為數(shù)字音調(diào)控制器的參數(shù)。3dB帶寬往往用品質(zhì)因數(shù)Q代替更能反映數(shù)字音調(diào)器和模擬音調(diào)器之間的聯(lián)系，定義品質(zhì)因數(shù)Q：

Q=f0/B=f0/（fH-fL），0

綜上所述，數(shù)字音調(diào)控制器的參數(shù)為中心頻率f0、增益G和品質(zhì)因數(shù)Q。

3 數(shù)字音調(diào)控制器的設(shè)計(jì)方法

以中心頻率f0、增益G和品質(zhì)因數(shù)Q為參數(shù)，如何設(shè)計(jì)函數(shù)使得其滿足圖1所示的幅頻特性呢？可以采用濾波器的設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。由圖1可知提升控制器有一個(gè)峰值，衰減控制器有一個(gè)谷值，提升控制器傳遞函數(shù)Hb（jf）和衰減控制器傳遞函數(shù)Hb（jf）可以用式（2）、式（3）表示：

利用雙線性變換法或者脈沖響應(yīng)不變法可以將H（s）轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器H（z）。脈沖響應(yīng)不變法的優(yōu)點(diǎn)是頻率變換關(guān)系是線性的，如果不存在頻譜混疊現(xiàn)象，用這種方法設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器會(huì)很好地重現(xiàn)原先的頻響特性，但有限階的模擬濾波器會(huì)產(chǎn)生不同程度的頻譜混疊失真，因此雙線性變換更適合。

利用雙線性變換方法，將式（4）、式（5）表示的模擬濾波器的傳輸函數(shù)H（s）轉(zhuǎn)化為數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)H（z）。即令，，式中：fs為采樣頻率，將m和s代入式（4）、式（5），整理得到：式（6）的系數(shù)如表1所示：

4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

多段數(shù)字音調(diào)控制器由多個(gè)數(shù)字衰減濾波器和數(shù)字提升濾波器組成。在設(shè)定數(shù)字音頻采樣率fs情況下，每個(gè)數(shù)字濾波器有三個(gè)可調(diào)參數(shù)：中心頻率f0、增益G和品質(zhì)因數(shù)Q。因此，多段式數(shù)字音調(diào)控制器可以根據(jù)需要對(duì)20Hz～20kHz音頻范圍內(nèi)的任意頻率信號(hào)進(jìn)行任意幅度的提升或者衰減，以達(dá)到所需的音頻效果。音頻采樣率設(shè)為48kHz，以5段數(shù)字音調(diào)控制器為例，設(shè)其中心頻率分別為600Hz、2kHz、5kHz、8kHz和11kHz，品質(zhì)因數(shù)Q都為100，提升音調(diào)控制器的增益為+15dB，衰減音調(diào)控制器的增益為-15dB，編寫Matlab程序，得到5段數(shù)字音調(diào)控制器的幅頻特性如圖2所示：

由圖2可知：每段音調(diào)控制器可以把中心頻率點(diǎn)附近的輸入音頻信號(hào)加以提升或者衰減，提升或衰減的幅度由增益控制，偏離中心點(diǎn)的信號(hào)幾乎沒有影響，偏離的遠(yuǎn)近程度由品質(zhì)因數(shù)Q控制。數(shù)字式多段音調(diào)控制器的各頻段的調(diào)節(jié)是互不影響、相對(duì)獨(dú)立的。實(shí)際使用時(shí)，可依據(jù)個(gè)人愛好和現(xiàn)場(chǎng)節(jié)目?jī)?nèi)容靈活地調(diào)節(jié)整個(gè)放聲頻段音頻信號(hào)的增益和變化量來達(dá)到目的，以獲得滿意的放聲效果。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAH38F03）。

（責(zé)任編輯：周 瓊）