הפרדה אות אודיו היא אבן הפינה של עיבוד אותות דיגיטליים מודרני, כוח כל דבר מביטול רעש באוזנינים ועד לתיליל של מוזיקה פוליפונית.היכולת למקם זרם אודיו מורכב לחלקים המרכיבים שלה - כגון הפרדת קולו של דובר מתנועה רקע או בידוד של מכשירים בודדים בתערובת - מאפשר שורה של טכנולוגיות מעשיות.

הבנת בנקים

בנק סינון הוא קבוצה של מסנני חתלתול המחלקים אות קלט לתוך מספר רב של תת-band מכיל אזור מסוים של ספקטרום התדר, המאפשר עיבוד לאחר מכן כדי למקד רכיבי תדר מסוימים מבלי להשפיע על השאר. decomposition זה הוא בסיסי עבור מערכות אודיו ותקשורת רבות, כולל קידוד תת-band, גרפיות שוות ערך, ועיבוד אותות מרובים.

ניתוח וסינתזה

מערכת בנק מסונן מלאה פועלת בדרך כלל בשני שלבים: ניתוח וסנכיטוזיס. במהלך ה-FLT:0 אנליזה ספציפית של שלב 1:1, אות הקלט מוזן למערך מקביל של מסננים מפילטרים טווח תדר, ומייצרת אות תת-פס מתאים רק לאחר ש-dows-F-F-F-F-F-F-F-Sated-F-F-F-F-F-F-S-S-F-F-F-F-S-S-F-Squareples-S-S-S-F-F-Squareples-Squareples-Squareple-F-F-F-F-Squareple-Squareples-F-F-Squareple-S-S-F-F-F-F-F-Squareple-S-Squareple-S-S-Squareple-S-Squareple-S-S-Squareple-Squareple-S-S-Squareple-Squareple-S-S-S-S-S-S

סוגים של פילטר

  • (FLT:0)Uniform filter בנקים: FLT:1 כל החתכים יש רוחב פס שווה (למשל, בנק בן 32 פס עם תדרי מרכז ממולאים באותה מידה).
  • בנקים מסננים שאינם חד-ממדיים: FLT:1 band-bands להשתנות רוחב פס, לעתים קרובות להתאים את רזולוציה תדר האוזן (מחזיק בתדרים נמוכים, רחב יותר בתדרים גבוהים).
  • (FLT:0Critly מדגם בנקי מסנן:FreaLT:1) שיעור הדגימה הכולל לאחר הפחת שווה את שיעור הדגימה המקורי, למקסם את היעילות.דוגמה קלאסית היא מסנן המראה של שני ערוצים (QMF) בנק, אשר מחלק את הספקטרום לנשימות נמוכות וגבוהות.
  • (FLT:0) בנקים מסננים מצופים: FLT:1 ,סכום של משקעים תת-band עולה על שיעור הקלט, המציעה עמידות לעיצוב מסנן פשוט יותר.

שיקולים עיצוביים

תכנון בנק מסנן כרוך איזון שטוחות פס, הפסקת פס, רוחב מעבר וטעייה שיקום. עבור יישומים קריטיים, שיקום מושלם עם שלב ליניארי עשוי להיות נדרש, אשר לעתים קרובות מוביל לשימוש של פילטרים Finite Impulse תגובה (FIR) מסננים.אבל, כאשר יעילות היא רבת ערך ועיוות שלב מסוים הוא מקובל, אני מסננים מציעים אלטרנטיבה משכנעת, כפי שנראה ביעילות את הפילטרים: לנטרל את השיטה הבין-אפקטיבית של פילטרים זה רק על ידי סינון יעיל של לנטרל את הפילטרים.

ראשי התיבות של IIR Filters in Audio Processing

פילטרים של תגובה בלתי נגמרת (IIR) הם סוג של מסננים דיגיטליים המוגדרים על ידי המבנה הרציני שלהם: הפלט תלוי הן את הקלטים הנוכחיים והעבריים, כמו גם את הפלט הקודם. משוב זה נותן IIR מסנן את היכולת להשיג תגובות חדות עם הרבה פחות אפקטיביות מאשר עיצוב שווה ערך FIR. כתוצאה מכך, הם אטרקטיביים מאוד עבור זמן אמת שבו מעבדים ומחזור זיכרון מוגבל.

IIR vs. FIR פילטרים

הבחירה בין IIR ו- FIR מסננים מרכזי במספר פילטרים מרכזיים.FIR מסננים יציבים מטבעם ויכולים בקלות להשיג שלב ליניארי (עיכוב קבוצתי בלתי קבוצתי), אשר רצוי לשימור צורת הגלום ביישומים כמו אודורות בשלב זה, עם זאת, השגת חלקים מגלגלים תלולים דורש מאות או אפילו אלפי קיצים לינאריים, המוביל לעלויות חישוביות גבוהות ולעקביות.

Common IIR Types filter

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) ,(Chebyshev type I ו-II:03FLT:1) Steeper roll-off-off מאשר Butterworth, אך עם ripple in the Passband (Type I) או stopband (Type II מתאים כאשר רוחב הפס הוא קריטי.
  • (ב) [ה]ההתול המחודד ביותר עבור הזמנה נתונה, עם קרוע בשני פסים ופס עצירה.
  • (FLT:0)Bessel:Build Groupעיכוב קבוצת הקומה מקסימאלי, שמירה על צורת הגלום בעלות של איטי יותר של רול-off. שימושי ביישומים קריטיים שבהם לינאריות שלב חשובה יותר מאשר אמפליטודה.

עבור הפרדה אות אודיו, מסננים אלפטיים הם לעתים קרובות לטובת יישום בנק מסנן כי הם מספקים בידוד ערוץ מעולה עם משאבים חישוביים מינימליים. מסנן אלפטי הרביעי יכול להשיג העצמה של 60 dB או יותר, אשר מספיק כדי למנוע דליפת ערוצים במשימות רבות של הפרדה.

שילוב של בנקי מסנן ופילטרים IIR

הנישואין של בנקים מסננים ומסננים IIR יוצרים מסגרת חזקה אך קלה עבור הפרדה אות אודיו.הרעיון המרכזי הוא להחליף את מסננים FIR יקרים חישובי בבנק סינון קונבנציונלי עם מסננים יעילות גבוהה IIR. זה מקטין את מספר התקני coefficients ואת פעולות ⁇ לדגימה, המאפשר הפעלה בזמן אמת על מכשירים בעלי כוח נמוך כגון מכשירי שמיעה, רמקולים חכמים, טלפונים ניידים.

אדריכלות כללית

בנק סינון ניתוח מבוסס IIR:

  1. אות הקלט מתחלק ל-FLT:0 להקות תדרי התדירות של 1 (NFLT:1 להקות) באמצעות בנק סינון ניתוח המורכב מ- IIR Bandpass או זוגות גבהים / נמוך.
  2. כל אות תת-פס הוא אופציונלית decimated (הורד) כדי להפחית את קצב הדגימה לקצב Nyquist עבור רוחב פס זה. הפחתה מפחיתה עומס עיבוד בשלבים הבאים.
  3. עיבוד תת-band אינדיבידואלי הוא מיושם, כגון התאמה, נפיחות רעש, סינון הסתגלות, או תת-קרקעית ספקטרלית.
  4. הכתלים המעובדים מדגימים בחזרה לשיעור הדגימה המקורי ועוברים דרך בנק מסונן סינתזז, המיושם גם עם מסננים IIR, כדי לשחזר את אות הפלט.

מסננים הסינתזה נועדו לבטל את ההשלכה המוצגת על ידי decimation ו- Interpolation. עבור מערכת שיקום מושלמת, הניתוח ו-Synthesis filter תשובות תדירות חייב לספק את מצב ביטול ההשלמה של ההליאות.עבור מסננים IIR, זה יותר מאתגר בשל שלב הלא-לינארי שלהם, אבל ניתן להשיג עם עיצוב זהיר של כל המבנים המבוססים על קופס או באמצעות מסננים ליניאריים.

דוגמה: בנק פילטר

שקול בנק מסנן שני ערוצים פשוט ששבר את ספקטרום השמע לנשפים נמוכים וגבוהים. השתמש מסנן IIR נמוך (למשל, Butterworth מסדר רביעי) ופילטר IIR משיל.

  • (ב) ,0) ,Lowpass: 1 (ב) ,(ה) ,(ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) מדרש (ב"ג) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

לאחר ניכוי על ידי 2, כל תת-band מעובד באופן עצמאי.לדוגמה, הלהקה הנמוכה עשויה להיות דחוסה עבור בקרת טווח דינמי, בעוד הלהקה גבוהה מקבל דיכוי רעש.מסננים הסינתזה חייב להיות זהה לסננים הניתוח (בבנק QMF מדגם ביקורתי) כדי לבטל את ההסתנן של אותו שלב, עם זאת, אני מסנן מציג חוסר התאמה כי מונע ביטול מושלם, כדי להקטין את זה, כולל מסנן זה יכול להיות שווה, או להקטין את המערכת המקבילה, אם כי ניתן להפעיל את זה יכול להיות מקטין באופן שווה את זה, או להפחית את זה יכול להיות מצמצם את זהה.

מבנה בנק IIR

כמה מבנים מיוחדים פותחו כדי להטביע מסננים IIR לתוך בנקים מסננים ביעילות:

  • (FLT:0) בנקים מסננים מבוססי פילטרים:FLT:1 השתמש מסננים עוקפים כדי להשיג תשובות בגודל משלימים עם מורכבות נמוכה.התפוקה הנמוכה והפסילה ניתן להסיק באמצעות סכומי כסף והבדלים של כל תפוקות החסימה.
  • (FLT:0) ו-WDFs:FLT (ה-WDFs): רשתות מסננים מודל 1 מודל עם תכונות יציבות מצוינות ומודולריות, המתאימות לבניית בנקים מסננים גדולים.
  • (FLT:0) מסננים פוליפאזה: FIR 1 ; Polyphase decomposition ניתן ליישם גם מסננים IIR, אם כי הטבע החוזר מסבך יישום יעיל לעתים קרובות, מסנן IIR מומר לשילוב של מסננים עוקפים כדי לאפשר מבנים פוליפזה.

יתרונות ומסחר

באמצעות מסננים IIR בבנקים מסננים מציע הטבות נפרדות, אך גם מציג את הבורסות שיש לשקול בקפידה במהלך עיצוב המערכת.

יתרונות

  • יעילות:0 (FLT:1 , IIR מסננים להשיג גלילים תלולים עם 5-10 אפקטיביות ללהקה, בעוד FIR שווה דורש 100 או יותר.זה מתורגם ישירות לצריכת חשמל נמוכה יותר ועומס על מעבדים משובצים.
  • (FLT:0)Low Memory Footrough: 1FLT 1 , פחות קידוד RAM ו-ROM, קריטי עבור שבבי DSP קטנים.
  • (ב) ⁇ (ב"א) ⁇ (ב"א) ⁇ ⁇ "מ) ניתן לבודד להקות צרות מאוד, המאפשר הפרדה טעונה (למשל, מיצוי של חומרי נזק בודדים של הערות מוזיקליות).
  • (FLT:0) lexibility:FLT:1 המבנה הדו-ממדי הפשוט מאפשר התחדשות דינמית של פרמטרים מסנן (תדירות מרכזית, Q factor) בתגובה לשינוי תוכן אודיו, המאפשרת בנקים מסננים מתאימים.

סחר-offs

  • (FLT:0) עיוות שלב לא-לינארי יכול לגרום לדימויים חולפים וחפצים בלתי-סבירים, במיוחד במערכות הגמישות הנמוכות המשמשות לעזר שמיעה או לצליל חי.
  • (ב) [15] חששות: פילטרים IIR יכולים לבודד אם התקני coefficients הם קוונטיים בצורה גרועה או אם סדר המסנן גבוה מדי.
  • (FLT:0) השגת שיקום מושלם: FLT:1 בשל שלב לא לינאריות, בנקים מסננים מבוססי IIR לעתים רחוקות להשיג שיקום מושלם אלא אם מסננים עוקפים משמשים באופן בלעדי.
  • (FLT:0) רגישות יעילה: פילטרים IIR רגישים יותר לכמת יעיל מאשר מסננים FIR, במיוחד עבור עיצובים צרים פסים.זה דורש יותר מעט עומק או זהיר בחירת מבנה מסנן (למשל, באמצעות הגשמה של צמיגים).

שיקולים מעשיים

חלוקת בנק סינון מבוסס IIR להפרדה אודיו על חומרה אמיתית כוללת מספר שלבים מעשיים.השיקולים הבאים מסייעים להבטיח ביצועים חזקים ואיכותיים.

עיצוב פילטר ו Tuning

כלים כגון MATLAB's Signal Processbox, SciPy, או סביבת פיתוח DSP ייעודית מאפשרים הסתברות מהירה של מסננים IIR.עבור עיצוב בנק מסנן, לעתים קרובות קל יותר להתחיל עם מסנן אנלוגי אבטיפוס (למשל, צ'ביקוב סוג II) ולאחר מכן ליישם את השינוי הדו-לינארי כדי להשיג אפקטיביות דיגיטלית.

זמן אמת-זמן Constraints

ביישומים אודיו חיים, יש למזער את ה- IIR מסננים באופן חד-משמעי עיכוב קבוצתי, המשתנה עם תדירות. עבור בנק מסנן עם להקות צרות רבות, עיכוב קבוצתי יכול להיות בולט (למשל, > 10 ms) טכניקות כדי להפחית את העיכוב כוללים שימוש מינימלי-phase IIR (אשר דוחף את העיכוב ככל האפשר עבור תגובה גודל נתונה) או שימוש רב-כפל טכניקות אשר מכווץ במידה רבה, אך ורקמותק את תהליכי עיבוד אלה; בנוסף, אך ורקמותרפי (אך) יעיל יותר, אך ורקמותרפי, כגון אלגוריתם יעיל יותר, אך ורק על-פעמיים, אך ורק על-פעמיים, כגון אלגוריתם (אשר דוחקים).

נקודה קבועה Arithmetic

(הופנה מהדף DSPs לעתים קרובות להשתמש בקידוד קבוע כדי לחסוך בעלויות וכוח.אניIR מסננים רגישים יותר לכמת מאשר FIR מסננים.פרקטיקה נפוצה היא ליישם כל סעיף שני (ביק) עם כפל-היתר של מטענים פנימיים (למשל, 32 סיביות עבור 16 סיביות) כדי למנוע מחזורים ולמעלה מ- Coefficientization יכול לגרום לתפקוד מיידי:0Flowed כדי לסימולציה של פעולות; לכן, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, 2 סיביות עבור 16 סיביות עבור פעולות קידודים ו-F2 סיביות עבור 16 סיביות עבור 16 סיביות עבור 16 סיביות עבור 16 סיביות עבור 16 סיביות עבור אודיו) כדי למנוע מחזורים (Flowed) כדי להבטיח את הפחתת תפקוד יעיל) כדי להבטיח את הפחתת תפקודים (Flowed) כדי להגדרה (Flowed) כדי להבטיח את הפחתת תפקודים (Flowed) כדי להבטיח את הפחתת תפקודים (מתאים מתקדמים) כדי להבטיח את הפחתת תפקודים ו-Flowed כדי להבטיח את ה-Flowed כדי להגדרה) כדי להבטיח את ה-Flowed כדי להגדרה: 1Flowed כדי להגדרה: 1.

בדיקות ואימות

לפני הפריסה, יש לבחון את מערכת הבנקאות המסוננת המלאה עם מגוון של אותות אודיו: גוונים טהורים לאמת בידוד ערוץ, דיבור ברעש כדי להעריך איכות הפרדה, ומוסיקה פס מלא כדי לבדוק את ההצתה או שלב anomalies. אמצעי אובייקטיבי כגון אותות ל-Disttion Ratio (SDR) והערכה מעשית של איכות אודיו (PEQ) יכול להשלים את ההאזנה סובייקטיבית גם בתנאים קשים.

יישומים

השילוב של בנקים מסננים ומסננים IIR הוחל בהצלחה במשימות רבות של הפרדה אודיו על פני תעשיות.

שיפור דיבור וחידוש רעש

בטלקומוניקציה, ראשי תיבות וסיוע שמיעה, בנק מסנן מסמן את אות המיקרופון ללהקות תדרים.IIR pass מסננים מבודדים את טווח הדיבור (בדרך כלל 300 הרץ - 3.4 kHz) וליישם דיכוי רעש בלהקות אחרות באמצעות תת-קרקעית ספקטרלית או רווחים המבוססים על רצפות רעש משוערות. כי הבנק פועל בזמן אמת על שבב נמוך כוח, משתמשים ברורים ללא שימוש ב-ידי אלגוריתמים של שימוש ב-ידי משתמשים.

מקור: Music Source

ניתן לבצע מכשירים מהקלטות מעורבות (למשל, תמצית שירה או תופים) עם בנקים מסננים שאינם חד-מיניים המחקים את הלהקות הקריטיות של האוזן האנושית.אניIR מסננים מאפשרים הפרדה בזמן אמת עבור חיזוק קול חי או מערכות קרירוק. בעוד שגישות למידה עמוקות הפכו דומיננטיות, בנקים מסננים המבוססים על IIR עדיין משמשים למניעה של מימד או ליישומים נמוכים כמו צגים עצביים יותר מדי.

ביטול אקו אקוסטי

בTelephony ללא ידיים, מסנן הסתגלות מאומן כדי מודל את הנתיב הריקה האקוסיבי.לדמיין את ההתאמה בתחום תת-פס באמצעות בנק מסנן IIR מקטין את זמן ההתכנסות ואת העלות חישובית.כל אחד מעבד רוחב פס תת-band צר יותר, ומאפשר לסינון אורך ארוך יותר עם פחות אפקטיביות הכולל.

עיבוד אותות ביו-רפואי

מעבר אודיו, בנקים מסננים IIR משמשים להפרדה בין EEG או ECG אותות לקצבי תדר (דלטה, בטא, אלפא, בטא) יעילות מסננים IIR מאפשרת מכשירים ניידים להפעלה של ניתוח בזמן אמת עבור ניטור שינה או זיהוי התקף.

מסקנה

בנקים מסננים בשילוב עם מסננים IIR מציעים גישה יעילה ומעשית להפרדה אות אודיו כי מאזן עלות חישובית עם איכות הפרדה. על ידי מינוף הטבע הפיגורטיבי של מסננים IIR, מהנדסים יכולים לבנות מערכות עם מדרונות מסננים תלולים, שימוש זיכרון נמוך וביצועים בזמן אמת על חומרים מבוססי עיבוד משאבים - גם אופטימיזציה של פעולות מעקב עצמי בשלב התגובה ושיקום מושלם הם זהירים באמצעות בחירות כגון הדגימה גבוהה, כמו אופטימיזציה של מיומנויות קוליות, כמו אופטימיזציה של תפקוד יעיל יותר של פעולות אופטימיזציה של פעולות אופטימיזציה של פעולות אופטימיזציה של פעולות אופטימיזציה של ציוד עזר אופטימיזציה של ציוד מיידיות גבוהה של ציוד עזר אופטימיזציה של ציוד עזר אופטימיזציה של ציוד אבטחה, כמו אופטימיזציה של ציוד מיידיות של ציוד אבטחה.

(ב) לקריאה נוספת על עיצוב סינון דיגיטלי וביצוע, ראה את ספרי הלימוד הסמכותיים של IIR:0) The Scientist and Engineers's Guide to Digital Signal ProcessveFLT:1 על ידי סטיבן W. Smith. דוגמאות עיצוב מעשיות של מסננים IIR ניתן למצוא ב-FLT:2MathWorks של ® IIR Software Defortation: 7FLT 3 ).