扭曲滤波均衡器的优化问题研究
扭曲滤波均衡器的优化问题研究[20191219224024]
摘要
扬声器是一种将电信号转换成可闻声波的装置，但它在转换过程中会产生明显的失真，导致声音质量的重大损失，从而严重影响听觉效果。传统的均衡方法不能对低频段处的频率提供足够的补偿，工程师们一直致力于开发新型的用于对抗这种失真类型的扬声器均衡技术。扭曲滤波均衡技术就是被研发出来用于解决此问题的。
人类的听觉系统具有一个有限的且与声音频率密切相关的分辨率。它的频率分辨率沿着线性频率轴不断衰减。扭曲滤波方法的优点在于它能够在全频波段内用单一结构提供不同的分辨率，所以在对抗低频失真方面更具优势。扭曲滤波均衡的原理是用非线性频率范围代替传统的线性频率范围进行均衡设计。但是，扭曲滤波均衡技术在均衡低频段频率时还是不够理想，可以对其进一步的优化。
本设计主要通过Matlab平台实现基于扭曲滤波技术的扬声器均衡算法，并通过对仿真结果的分析探讨该算法的优化问题。
摘要 1
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:均衡器扭曲滤波频率
目录
Abstract 2
1.绪论 4
1.1背景与意义 4
1.2国内外研究现状分析 4
1.3内容简介 6
2.扬声器均衡技术 8
2.1扬声器概述 8
2.1.1扬声器的频率特性 8
2.2扬声器均衡原理 9
2.2.1反卷积均衡技术 10
2.2.2扭曲滤波均衡技术 11
3．扭曲滤波均衡算法的仿真与优化 13
3.1扬声器的频率响应 13
3.1.1扭曲系数对于均衡效果的影响 14
3.2扭曲滤波均衡的优化 15
3.2.1仿真结果 16
4.结语 19
参考文献 20
致谢 21
1.绪论
1.1背景与意义
对于电声技术的发展，现代科学技术的进步为其提供了一个很好的机会，数字信息技术是将来发展的必然方向，而采用了数字信号处理技术的扬声器系统所表现出来的高智能和亲和力的特点，是将来扬声器技术的主要发展动向。扬声器是将经过处理放大后的电信号转换成可闻声波的装置，直接作用于人耳来使人感受到声音，但它在转换时会产生明显的失真，导致声音质量的重大损失，从而严重影响听觉效果。
我们不会希望扬声器改变声响的播放效果，因为那样会使乐器和人声的音色受到损失，使它们听起来很不和谐。在理想的情况下，我们希望声音的来源不会被扬声器所改变，而是能够回放出和当初一模一样的声音。这就对扬声器的要求十分的高，但由于扬声器在生产过程中存在的缺点，这点并不能很好的被实现。
均衡器是一种可以对系统响应中各个频率段的频率分别进行调节并能使其电信号放大的电子信息装置，它主要是对电信号中不同频率段的频率进行提升或减弱来使扬声器的不足得到一定程度上的改善[1]。均衡器的作用是提升或削减频率响应中的幅度、相位、频率等，从而减少系统频率响应的失真走样，它主要是通过滤波处理的方式，使信号响应的某些频率段的频率高于或低于其他频率以一定频率范围，而使另外一些信号响应的电平被提高或减弱，从而使电信号频率段内的频谱变得较为均匀平整。我们可以使用它来调试改进不同频率的电信号，来补偿扬声器的不足和改善电声转换过程中存在的电信号的畸变，从而对不同声音信号起到改进作用。
1.2国内外研究现状分析
扬声器单元是构成音频系统的基本单元，也是其中的关键性单元，扬声器单元的好坏直接影响到声音的品质[2]。然而鉴于传统的扬声器在制作过程中会存在生产技术上的缺点，很容易就会引起扬声器在转换音频电信号时产生信号的畸变，严重影响到人类的听觉享受。现在，在智能扬声器系统上通过搭载数字信号处理技术在一定程度上能够弥补传统扬声器在生产过程中的不足和缺点，使扬声器的频率响应趋向理想，并对声响信号的失真部分进行了改善与补偿，从而能够获得更加理想的音响播放效果。
为了更大程度的提升听觉效果，在对扬声器的均衡算法进行设计与优化时，除了要考虑扬声器的自身特性外，还应当要将人类的听觉特性纳入设计与优化算法时的考虑范围。一般来说，在同等强度的频率下，人耳对于低频率段的扰动表现的更为敏感。所以，扬声器均衡算法对于低频失真的改善能力已经被认为是一个用于衡量性能优差的重要尺度。其实，在过去的几十年里，人们已经研究出了一些数字化的扬声器均衡方法。
在二十世纪八十年代中期，Mourjopoulos在AES(国际音频工程师协会)上首先提出了数字化扬声器均衡的概念，并基于经典的反卷积算法而提出了一种新型的由FIR结构构成的扬声器均衡设计方案，主要是采用数字滤波器来改善扬声器的声响播放性能[3]。而且FIR滤波器构造简易且系统平稳，但是为了获得更为理想的均衡效果，FIR滤波器的阶数通常都很高。然而，这种方案虽然在对抗高频率段的失真现象具有良好的补偿效果，但是对于中频率段和低频率段的失真补偿方面则显得有些力不从心。
Greenfild和 Hawksford提出了一种基于IIR结构的扬声器均衡算法[4]，这种算法主要是利用了最小相位系统和超相位系统的级联结构来表征出扬声器的性能特点。遗憾的是，IIR滤波器没有FIR滤波器所拥有的线性相位，并且系统平稳性也需要进一步的探讨。这套方案可以提升对硬件资源的利用效率，但在建模过程中会造成低频率段电信号的损失而无法对低频率段部分进行良好的补偿。
Jensen研究了多频段均衡方法[5]，该方法为扬声器均衡不同频率段的频率响应提供了不同的解决方法。这种方法主要是使用一种能改变扬声器系统频率响应特性的信号处理设备，它能把扬声器的全频段（20Hz至20kHz）或其相对的重要部分(例如200Hz至10kHz频段)分为几个频率点（3点、6点以至31点），继而对这些频率点的频率分别进行提高或减弱，并且各个频率点相互之间都不受到影响，所以通过这个方法可以对整个扬声器系统的频率特性进行细致的调整。
Henriquez等人尝试借助多频段处理技术来对扬声器频率响应中的中低频信号进行单独的均衡补偿[6]。这个基于多频段技术的均衡方案在对抗扬声器频率响应中的中低频失真方面取得了一定的成功，但是由于这个方法对内插、抽取、滤波等过程均有较为严格的要求，所以从实现的成本上来看仍然不能满足实际的生产需求。双波段数字扬声器均衡系统的设计目的是提高在低频段中包含有的高频段分辨率的响应性能。双波段均衡方法可以提高低频均衡的效果，同时在较高频率段时也能具有相应的均衡效果，可减少在重叠的频率区域中产生的失真。
Kara Kallio，Teso Callas和Mourjopoulos设计并讨论了交叉卷积和其它一些与多频段均衡相关的问题[7]。这个方法的缺点之一是它涉及一个相对复杂的取值和内插过程，从而导致其对硬件的构造要求较高且软件实现的过程过于复杂。
Karjalainen，Piiril?等人比较了包括扭曲滤波均衡方法在内的多种不同均衡方法[8]。结果显示出，扭曲滤波均衡方法能够在全频波段范围内用单一的结构来提供不同的分辨率。
随着时代的进步，数字化的扬声器均衡的研究方法已层出不穷，但无论我们采用哪一种结构，基本的思路都是在线性频域上对电信号的失真来进行补偿，然而，这显然与人类的听觉特性不甚匹配。从这方面来说，非线性均衡技术具备了一定的先天优势。非线性均衡的基本原理是借助某些可以被实现的物理数学变换将线性频域映射到非线性频域，然后在非线性频域上对音频信号进行处理，从而达到均衡效果的合理配置利用。扭曲滤波均衡技术就是基于这种方法来实现的。通过计算机进行的模拟仿真来看，扭曲滤波均衡技术能够很好的提高低频段系统响应的分辨率。扭曲滤波均衡技术从提出到现在，已得到良好的应用与发展。
1.3内容简介
关于解决电信号与声信号转换过程中产生的失真问题一直是音频系统工程师们关注的热点与难点之一。人类听觉系统的频率范围为20Hz至20KHz之间，在这频率范围内的声音都能被人耳感受到，但是人类的听觉系统对于整个音频频率段的声音反应通常是不平滑的，另外频率范围在2KHz至5KHz之间的频率是人类听觉系统感觉最为敏锐的频率段。一些传统的基于均分频率的扬声器均衡方法不能够提供足够的低频补偿，影响了人耳的听觉感受。扭曲滤波均衡技术可有效改善这个问题。本文主要是对其在扬声器均衡中的应用做相应的研究。
本文各章主要内容如下：
第一章主要介绍了有关扬声器均衡的研究背景及研究现状。
第二章主要阐述了扬声器均衡技术的基本原理与特点。
第三章主要是利用MATLAB平台实现扭曲滤波均衡，并根据仿真结果来研究扭曲滤波均衡的效果并对其进行一定的优化。
第四章为本文的总结。
2.扬声器均衡技术
2.1扬声器概述
扬声器又称“喇叭”或者“音箱”。它是一种能将电信号转变为声信号的电子装置，在所有能够发出声音的电子装置中都能找到它的身影。在大多数电子声响装置中，扬声器单元是最薄弱的环节，但是对于整个声响的影响因素来说，它又是举足轻重的构成单元。
摘要
扬声器是一种将电信号转换成可闻声波的装置，但它在转换过程中会产生明显的失真，导致声音质量的重大损失，从而严重影响听觉效果。传统的均衡方法不能对低频段处的频率提供足够的补偿，工程师们一直致力于开发新型的用于对抗这种失真类型的扬声器均衡技术。扭曲滤波均衡技术就是被研发出来用于解决此问题的。
人类的听觉系统具有一个有限的且与声音频率密切相关的分辨率。它的频率分辨率沿着线性频率轴不断衰减。扭曲滤波方法的优点在于它能够在全频波段内用单一结构提供不同的分辨率，所以在对抗低频失真方面更具优势。扭曲滤波均衡的原理是用非线性频率范围代替传统的线性频率范围进行均衡设计。但是，扭曲滤波均衡技术在均衡低频段频率时还是不够理想，可以对其进一步的优化。
本设计主要通过Matlab平台实现基于扭曲滤波技术的扬声器均衡算法，并通过对仿真结果的分析探讨该算法的优化问题。
摘要 1
查看完整论文请+Q: 3519,1607,2
关键字:均衡器扭曲滤波频率
目录
Abstract 2
1.绪论 4
1.1背景与意义 4
1.2国内外研究现状分析 4
1.3内容简介 6
2.扬声器均衡技术 8
2.1扬声器概述 8
2.1.1扬声器的频率特性 8
2.2扬声器均衡原理 9
2.2.1反卷积均衡技术 10
2.2.2扭曲滤波均衡技术 11
3．扭曲滤波均衡算法的仿真与优化 13
3.1扬声器的频率响应 13
3.1.1扭曲系数对于均衡效果的影响 14
3.2扭曲滤波均衡的优化 15
3.2.1仿真结果 16
4.结语 19
参考文献 20
致谢 21
1.绪论
1.1背景与意义
对于电声技术的发展，现代科学技术的进步为其提供了一个很好的机会，数字信息技术是将来发展的必然方向，而采用了数字信号处理技术的扬声器系统所表现出来的高智能和亲和力的特点，是将来扬声器技术的主要发展动向。扬声器是将经过处理放大后的电信号转换成可闻声波的装置，直接作用于人耳来使人感受到声音，但它在转换时会产生明显的失真，导致声音质量的重大损失，从而严重影响听觉效果。
我们不会希望扬声器改变声响的播放效果，因为那样会使乐器和人声的音色受到损失，使它们听起来很不和谐。在理想的情况下，我们希望声音的来源不会被扬声器所改变，而是能够回放出和当初一模一样的声音。这就对扬声器的要求十分的高，但由于扬声器在生产过程中存在的缺点，这点并不能很好的被实现。
均衡器是一种可以对系统响应中各个频率段的频率分别进行调节并能使其电信号放大的电子信息装置，它主要是对电信号中不同频率段的频率进行提升或减弱来使扬声器的不足得到一定程度上的改善[1]。均衡器的作用是提升或削减频率响应中的幅度、相位、频率等，从而减少系统频率响应的失真走样，它主要是通过滤波处理的方式，使信号响应的某些频率段的频率高于或低于其他频率以一定频率范围，而使另外一些信号响应的电平被提高或减弱，从而使电信号频率段内的频谱变得较为均匀平整。我们可以使用它来调试改进不同频率的电信号，来补偿扬声器的不足和改善电声转换过程中存在的电信号的畸变，从而对不同声音信号起到改进作用。
1.2国内外研究现状分析
扬声器单元是构成音频系统的基本单元，也是其中的关键性单元，扬声器单元的好坏直接影响到声音的品质[2]。然而鉴于传统的扬声器在制作过程中会存在生产技术上的缺点，很容易就会引起扬声器在转换音频电信号时产生信号的畸变，严重影响到人类的听觉享受。现在，在智能扬声器系统上通过搭载数字信号处理技术在一定程度上能够弥补传统扬声器在生产过程中的不足和缺点，使扬声器的频率响应趋向理想，并对声响信号的失真部分进行了改善与补偿，从而能够获得更加理想的音响播放效果。
为了更大程度的提升听觉效果，在对扬声器的均衡算法进行设计与优化时，除了要考虑扬声器的自身特性外，还应当要将人类的听觉特性纳入设计与优化算法时的考虑范围。一般来说，在同等强度的频率下，人耳对于低频率段的扰动表现的更为敏感。所以，扬声器均衡算法对于低频失真的改善能力已经被认为是一个用于衡量性能优差的重要尺度。其实，在过去的几十年里，人们已经研究出了一些数字化的扬声器均衡方法。
在二十世纪八十年代中期，Mourjopoulos在AES(国际音频工程师协会)上首先提出了数字化扬声器均衡的概念，并基于经典的反卷积算法而提出了一种新型的由FIR结构构成的扬声器均衡设计方案，主要是采用数字滤波器来改善扬声器的声响播放性能[3]。而且FIR滤波器构造简易且系统平稳，但是为了获得更为理想的均衡效果，FIR滤波器的阶数通常都很高。然而，这种方案虽然在对抗高频率段的失真现象具有良好的补偿效果，但是对于中频率段和低频率段的失真补偿方面则显得有些力不从心。
Greenfild和 Hawksford提出了一种基于IIR结构的扬声器均衡算法[4]，这种算法主要是利用了最小相位系统和超相位系统的级联结构来表征出扬声器的性能特点。遗憾的是，IIR滤波器没有FIR滤波器所拥有的线性相位，并且系统平稳性也需要进一步的探讨。这套方案可以提升对硬件资源的利用效率，但在建模过程中会造成低频率段电信号的损失而无法对低频率段部分进行良好的补偿。
Jensen研究了多频段均衡方法[5]，该方法为扬声器均衡不同频率段的频率响应提供了不同的解决方法。这种方法主要是使用一种能改变扬声器系统频率响应特性的信号处理设备，它能把扬声器的全频段（20Hz至20kHz）或其相对的重要部分(例如200Hz至10kHz频段)分为几个频率点（3点、6点以至31点），继而对这些频率点的频率分别进行提高或减弱，并且各个频率点相互之间都不受到影响，所以通过这个方法可以对整个扬声器系统的频率特性进行细致的调整。
Henriquez等人尝试借助多频段处理技术来对扬声器频率响应中的中低频信号进行单独的均衡补偿[6]。这个基于多频段技术的均衡方案在对抗扬声器频率响应中的中低频失真方面取得了一定的成功，但是由于这个方法对内插、抽取、滤波等过程均有较为严格的要求，所以从实现的成本上来看仍然不能满足实际的生产需求。双波段数字扬声器均衡系统的设计目的是提高在低频段中包含有的高频段分辨率的响应性能。双波段均衡方法可以提高低频均衡的效果，同时在较高频率段时也能具有相应的均衡效果，可减少在重叠的频率区域中产生的失真。
Kara Kallio，Teso Callas和Mourjopoulos设计并讨论了交叉卷积和其它一些与多频段均衡相关的问题[7]。这个方法的缺点之一是它涉及一个相对复杂的取值和内插过程，从而导致其对硬件的构造要求较高且软件实现的过程过于复杂。
Karjalainen，Piiril?等人比较了包括扭曲滤波均衡方法在内的多种不同均衡方法[8]。结果显示出，扭曲滤波均衡方法能够在全频波段范围内用单一的结构来提供不同的分辨率。
随着时代的进步，数字化的扬声器均衡的研究方法已层出不穷，但无论我们采用哪一种结构，基本的思路都是在线性频域上对电信号的失真来进行补偿，然而，这显然与人类的听觉特性不甚匹配。从这方面来说，非线性均衡技术具备了一定的先天优势。非线性均衡的基本原理是借助某些可以被实现的物理数学变换将线性频域映射到非线性频域，然后在非线性频域上对音频信号进行处理，从而达到均衡效果的合理配置利用。扭曲滤波均衡技术就是基于这种方法来实现的。通过计算机进行的模拟仿真来看，扭曲滤波均衡技术能够很好的提高低频段系统响应的分辨率。扭曲滤波均衡技术从提出到现在，已得到良好的应用与发展。
1.3内容简介
关于解决电信号与声信号转换过程中产生的失真问题一直是音频系统工程师们关注的热点与难点之一。人类听觉系统的频率范围为20Hz至20KHz之间，在这频率范围内的声音都能被人耳感受到，但是人类的听觉系统对于整个音频频率段的声音反应通常是不平滑的，另外频率范围在2KHz至5KHz之间的频率是人类听觉系统感觉最为敏锐的频率段。一些传统的基于均分频率的扬声器均衡方法不能够提供足够的低频补偿，影响了人耳的听觉感受。扭曲滤波均衡技术可有效改善这个问题。本文主要是对其在扬声器均衡中的应用做相应的研究。
本文各章主要内容如下：
第一章主要介绍了有关扬声器均衡的研究背景及研究现状。
第二章主要阐述了扬声器均衡技术的基本原理与特点。
第三章主要是利用MATLAB平台实现扭曲滤波均衡，并根据仿真结果来研究扭曲滤波均衡的效果并对其进行一定的优化。
第四章为本文的总结。
2.扬声器均衡技术
2.1扬声器概述
扬声器又称“喇叭”或者“音箱”。它是一种能将电信号转变为声信号的电子装置，在所有能够发出声音的电子装置中都能找到它的身影。在大多数电子声响装置中，扬声器单元是最薄弱的环节，但是对于整个声响的影响因素来说，它又是举足轻重的构成单元。
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