Ses sinyali ayrılıkları modern dijital sinyal işlemenin bir temel taşıdır, ses iptalinden gelen her şeyi kulakbuds'tan polifonik müziğin transkriptine kadar devre dışı bırakmaktır.Bu makale, konuşmacının seslerini bir sesin arka plan trafikten ayırıp, bir karışımındaki her şeyi dengelemek için bir araya getirme yeteneğidir - bu görev için en verimli ve yaygın kullanılan tekniklerin yanı sıra, gerçek bilgisayar tasarımlarının ve filtre bankalarının filtrelerini inceler.
Filtre Bankalarını Anlamak
Bir filtre bankası, bir giriş sinyalini birden fazla frekans alt bandına bölen bir grup geçiş filtresidir. Her alt grup, frekansı spektrumunun belirli bir bölgesi içerir ve geri kalanını etkilemeden belirli frekans bileşenleri hedeflemeye izin verir.Bu dekompozisyon, alt bant kodlaması, grafik eşitleştiriciler ve çoklu sinyal işleme dahil olmak üzere birçok ses ve iletişim sistemlerine temeldir.
Analiz ve Synthesis Aşamaları
Tam filtre bankası sistemi genellikle iki aşamada çalışır: analiz ve sentez.Ücretsizler sırasında [Dönder:0) faz, her kanaldaki azalan bant genişliğine sahip.In the corresponding sub-band sinyali üretir.The bu alt-bandlar genellikle silinmiş (düşüksüz) alt-gruplar, her kanaldaki tüm sinyallerin tekrarlanması için tekrarlanabilir.
Filtre Bankalarının Türleri
- [FONT=0]Uniform filtre bankaları: [Dönderler eşit bant genişliğine sahipler (örneğin, 32-gruplı bir banka, MP3 gibi ses kodlama standartlarında yaygındır (örneğin değiştirilmiş ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı kosine dönüşler) ve erken algılayıcı kodlayıcılar.
- [FONT:0) Hayır-uniform filtre bankaları: Alt gruplar genellikle kulak frekansı çözünürlüğünü (orta frekanslarda daha geniş, yüksek frekanslarda daha geniş bir şekilde eşleştirir). Bu yaklaşım konuşma işleme ve işitme yardımlarında kullanılır.
- [FONT:0)Critically örneklenmiş filtre bankaları: Tüm örnekleme oranı, orijinal örnekleme oranına eşit, maksimum verimlilik. Klasik bir örnek, iki kanallı dörtlü ayna filtresi (QMF) bankadır, bu da spektrumu düşük ve yüksek yarılara ayırmaktadır.
- [FONT:0)Oversampled filtre bankaları:), alt bant örnekleme oranlarının toplamı giriş oranını aşıyor, giriş hızına sağlamlık ve daha basit bir filtre tasarımı sunuyor. Commonly olarak adaptif filtreleme ve kaynak ayrımı kullanıldı.
Anahtar Tasarım Tahminleri
Bir filtre bankasının tasarımı, geçiş kesintisi, geçiş hızı ve yeniden yapılandırma hatası gerektirir. kritik uygulamalar için, doğrusal aşama ile mükemmel bir yeniden inşa edilmesi gerekli olabilir, bu genellikle Finite Impulse Response (FIR) filtrelerinin kullanımına yol açar. Ancak, verimlilik parasal ve bazı aşamalar kabul edilebilir olduğunda, IIR filtreler yalnızca sabit bir alternatif sunar.
Ses İşlemede IIR Filtrelerinin Rolü
Sonsuz Impulse Response (IIR) filtreler, recursive yapısı tarafından tanımlanan dijital filtreler sınıfıdır: çıktı hem de geçmiş çıktılara bağlıdır. Bu geri bildirimler IIR filtrelere eşdeğer bir FIR tasarımı ile keskin büyüklük yanıtlarını elde etme yeteneği verir. Sonuç olarak, işlemci döngüleri ve hafızanın da güncel ve geçmiş girişlerine bağlı olarak son derece caziptir.
IIR vs. FIR Filtreler
IIR ve FIR filtreler arasındaki seçim birkaç anahtar ticaret-offs. FIR filtreler doğal olarak istikrarlı ve doğrusal bir aşamaya ulaşabilir (konstant grubu gecikme), bu, ses geçitleri gibi uygulamalar için arzu edilir. ancak, dik bir ruloya sahip olmak, yüzlerce veya hatta binlerce musluk gerektirir, yüksek hesaplama maliyetine ve geç faza yol açabilir. IIR filtreler, aksine, bazı katlanamayanlar ile çok keskin bir geçiş grubu oluşturabilir.
Common IIR Filter Tipleri
- [FONT:0)Butterworth:[Dönetici:[Dönetici:0) Maximally flat passband, düzgün roll-off. Anti-aliasing filtreler gibi uygulamalar için iyi.
- [FONT=0)Chebyshev Type I ve II: Steeper roll-off Than Butterworth ama geçiş bantlarında (Type I) veya stopband (Type II) ile uyumlu.
- [FONT:0)Elliptic (Cauer):[Dönetici:0) Belirli bir sipariş için en keskin yuvarlanmış, her iki geçiş bandında ve stopbandda dalgalanan ve maksimum verimlilik gerekli olduğunda kullanılır, ancak dikkatli tasarım, hayal edilebilir eserler en aza indirmek için gereklidir.
- [FONT:0)Bessel:[Dönetici:[Dönder:) Maximally düz grup gecikmesi, dalgalama şeklinin yavaş roll-off pahasına tutulması. zamanın kritik uygulamalarda faz lineerliği daha fazla önemli.
Ses sinyali ayrılıkları için, eliptik filtreler genellikle filtre banka uygulamaları için tercih edilir, çünkü minimum hesaplama kaynakları ile mükemmel kanal izolasyonu sağlarlar. Dördüncü sipariş eliptik filtre, 60 dB veya daha fazla dayanıklılık elde edebilir, bu birçok ayrılık görevinde çapraz kanal sızıntısını önlemek için yeterlidir.
Filtre Bankalarını ve IIR Filtrelerini Kombine Etmek
Filtre bankalarının ve IIR filtrelerinin evliliği, ses sinyali ayrılıkları için henüz güçlü bir çerçeve oluşturur. Temel fikir, yüksek verimli IIR filtrelerle geleneksel olarak kullanılan FIR filtrelerinin yerini almaktır. Bu, hem katsayıların hem de örnek olarak arithmetici operasyonlarının sayısını azaltır, işitme yardımı, akıllı hoparlörler ve cep telefonları gibi düşük güç cihazları üzerinde gerçek zamanlı işlem sağlar.
Genel Mimari Genel Mimari
Tipik bir IIR tabanlı analiz-synthesis filtre bankasında:
- Giriş sinyali, [[0)N), IIR bandpass veya düşük geçit / yüksek geçit çiftlerinden oluşan bir analiz filtre bankası kullanılarak frekans grupları.
- Her alt bant sinyali, örnek oranını bu bant genişliği için Nyquist oranına düşürmek için isteğe bağlı olarak ayrıştırılır (aşağıya). Decimation sonraki aşamalarda işlem yüklerini azaltır.
- Bireysel alt bant işleme, ayarlama, gürültü gating, adaptive filtreleme veya çıkarma gibi uygulanır.
- İşlenmiş alt bantlar orijinal örnek oranına geri döndü ve bir sentez filtresi bankası aracılığıyla geçti, aynı zamanda IIR filtrelerle de uygulandı, çıktı sinyalini yeniden inşa etmek için.
sentez filtreleri, doğrusal olmayan aşamalar nedeniyle getirilen biraları iptal etmek için tasarlanmıştır, ancak tüm geçit tabanlı yapıların tasarımını veya doğrusal olmayan IIR filtreleri kullanarak elde edilebilir.
İki-Channel Filtre Bankası Örnek
Ses spektrumunu düşük ve yüksek yarıklara bölen basit iki kanal filtre bankası düşünün. düşük bir IIR filtre (e.g., dördüncü sıra Butterworth) ve tamamlayıcı yüksek IIR filtresi kullanın.
- [[Düzgeç:[Dönem:[Dönem:))Düzgeçler, geçiş noktasının altındaki frekansları (örneğin, 1 kHz).
- [[Düzzaman:0)Yüksek geçit:[Dönder:[Dönder:) Geçişin üzerindeki frekansları alıntılar.
2 tarafından decimasyondan sonra, her bir alt bant bağımsız olarak işlenir. Örneğin, düşük grup dinamik aralık kontrolü için sıkıştırılabilir, yüksek grup gürültü bastırılırken. sentez filtreleri analiz filtreleriyle aynı olmalıdır (örneğin, QMF bankası) bir şekilde kısaltılır.
Pratik IIR Filtre Bankası Yapıları
IIR filtrelere etkili bir şekilde gömmek için birkaç özel yapı geliştirildi:
- [FONT:0]Allpass tabanlı filtre bankaları: Düşük karmaşıklık ile tamamlayıcı boyut yanıtlarını elde etmek için tüm geçit filtreleri kullanın. düşük ve yüksek geçit çıktıları tüm sürümlerin ve farklılıkları ile elde edilebilir.
- [[Düzücü dijital filtreler (WDFs): ), Model analog filtre ağları mükemmel stabilite özellikleri ve modülerlik ile inşa etmek için uygun, büyük filtre bankaları inşa etmek için uygun.
- [FONT:0)IIR polifaksiyonları:[Dönetici:0)IIR polifaksiyonları için de uygulanabilir, ancak recursive nature complicates verimli uygulama. Genellikle, bir IIR filtresinin polifaze yapıları etkinleştirebilmesi için paralel bir kombinasyonuna dönüştürülür.
Avantajları ve Trade-offs
Filtre bankalarında IIR filtreleri kullanarak farklı faydalar sunar, ancak aynı zamanda sistem tasarımı sırasında dikkatli bir şekilde düşünülmesi gereken ticari işlemler de sunar.
Avantajları Avantajları Avantajları Avantajları
- [FONT:0)C ⁇ verimliliği:[Dönetici:[Dönetici:0) IIR filtreler grup başına 5-10 kat kat kat kat kat kat kat kat katlanarak, FIR eşdeğerleri 100 veya daha fazlasını gerektirir.Bu doğrudan alt güç tüketimine ve daha yüksek aktarım işlemcilere dönüştürür.
- [FONT=0) Düşük hafıza ayak izi:[DFLT:1] Daha az filtre katları küçük DSP çipleri için daha az RAM ve ROM anlamına gelir.
- [FONT=0) Yüksek frekans seçiciliği: [DÜDÜT:1] IIR filtreler çok dar grupları izole edebilir, iyi hazırlanmış ayrılıklara izin verebilir (örneğin, bireysel müzik notlarının harmoniklerini çıkarın).
- [FONT=0)Flexability:[[Dönetici:[Dönetici:0) Basit biquad yapısı, filtre parametrelerinin dinamik yeniden yapılandırılmasına izin verir (merkez frekansı, Q faktör) ses içeriğini değiştirme yanıt verir, adaptif filtre bankaları etkinleştirir.
Trade-offs
- [FONT:0)Phase deme:[Dönersiz aşama cevabı, geçici olarak kısaltılmış ve audible eserlere, özellikle işitme yardımı veya canlı ses için kullanılan düşük değer sistemlerinde kullanılabilir.
- [FONT=0)Stability concerns:[Döneticiler zayıfsa veya filtre siparişi çok yüksekse, ancak dikkatli katlama gereklidir.
- [FONT:0] Mükemmel bir yeniden yapılandırma:[Dönetici: 0:0) Tüm geçiş filtrelerinin kullanılmadığı sürece, aşırılık veya post-filtreleme, inaudible seviyeleri ile ilgili olarak kullanılabilir.
- [FONT:0)Komser duyarlılık:[Dönetici:[Dönetici:0)) IIR filtreler FIR filtrelerden daha hassastır, özellikle de dar bant tasarımları için. Bu, daha yüksek biraz derinlemesine veya dikkatli filtre yapısı seçimi gerektirir (örneğin, lattivars kullanarak).
Pratik Uygulamayı Değerlendirme
Gerçek donanımda ses ayrımı için IIR tabanlı bir filtre bankasının çalıştırılması birkaç pratik adım içerir. Aşağıdaki düşünceler sağlam, yüksek kaliteli performans sağlar.
Filtre Tasarımı ve Tuning
MATLAB'in Signal Processing Toolbox, SciPy veya adanmış DSP geliştirme ortamları gibi araçlar, IIR filtrelerin hızlı prototiplemesine izin veriyor. Filtre bankası tasarımı için, genellikle bir analog filtre ile başlamak daha kolay (örneğin, Chebyshev Tip II) ve sonra dijital katlamalar elde etmek için başlangıç geçişleri uygulamalıdır.Kapital frekanslar, bilinen dönüşümler için geçişler için önceden tahmin edilemez hale gelir.
Gerçek Zamanlı Kıtlar
Canlı ses uygulamaları, geç kalmışlık en aza indirgenmelidir. IIR filtreler doğal olarak grup gecikmesini sağlar, bu da çok sayıda dar grupla filtre banka için, grup gecikmesi fark edilebilir (örneğin, 10 ms).
Sabit-Point Arithmetic
DSP'ler genellikle sabit nokta arithmeticileri maliyet ve güç tasarrufu sağlamak için kullanılır. IIR filtreler FIR filtrelerden daha hassastır. Ortak bir uygulama, iki temel alan ile filtreyi tasarlamak ve stabilite sağlamak için simülasyon önerilir. [e.g., 32-bit for 16-bit ses) limit ve aşırı akıştan kaçınmak için.
Test ve Geçerlilik
Dağıtımdan önce, tam filtre banka sistemi çeşitli ses sinyalleri ile test edilmelidir: kanal izolasyonunu doğrulamak için saf tonlar, ayırma kalitesini değerlendirmek için gürültüde konuşma ve tam bant müziği, en kötü koşullar altında kullanım için kontrol etmek için de önemlidir.
Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları Uygulamaları
Filtre bankalarının ve IIR filtrelerinin kombinasyonu endüstriler genelinde sayısız ses ayrılık görevlerinde başarıyla uygulandı.
Konuşma Geliştirme ve Gürültü Azaltımı
Telekomünikasyonda, kafalar ve işitme yardımları, bir filtre bankanın mikrofon sinyalini frekans bandına yönlendirdiğini varsayar. IIR bandpass filtreleri konuşma spektrumunu (tipik olarak 300 Hz – 3.4 kHz) izole eder ve tahmini gürültü katlarına göre gürültüyü veya kazanç uygular. Çünkü filtre banka düşük güç çiplerine doğru koşar, kullanıcılar tam bant algoritmalarının hesaplama yükü olmadan konuşma deneyimini net bir şekilde yaşarlar. Bazı modern işitme yardımları 32 IIR tabanlı alt bantlara kadar kullanır.
Müzik Kaynağı
Karışık bir kayıttan gelen araçları (örneğin, ses veya davulları çıkarmak) hala insan kulağının kritik gruplarını taklit eden filtreleme bankaları ile kullanılabilir. IIR filtreler canlı ses takviye veya karaoke sistemleri için gerçek zamanlı ayrımı sağlarken, derin öğrenme yaklaşımları baskın hale gelir, IIR tabanlı filtre bankaları hala boyutsalliği azaltmak için kullanılır.
Aoustic Echo Cancellation
Elsiz telephony'de, a Adaptif bir filtre akustik yankı yolunu modellemek için eğitilmiştir. Bir IIR filtre bankası kullanarak alt bant alanında adaptasyon zaman ve hesaplama maliyeti azaltır.Her alt bant süreçleri daha dar bir bant genişliğine izin verir, alt bant yaklaşımı da sistem konuşmacı hareket ve arka plan gürültüye verir.
Biyomedikal İşaret İşleme
Sesin ötesinde, IIR filtre bankaları EEG veya ECG sinyalleri frekans ritmine ayırarak kullanılır (delta, alfa, beta). IIR filtrelerinin verimliliği, taşınabilir giyilebilir cihazlara uyku izleme veya nöbet algılama algılaması için gerçek zamanlı analizler yapabilmelerini sağlar.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
IIR filtrelerle birlikte filtre bankaları, yüksek bellek kullanımı ve gerçek zamanlı donanıma sahip ses sinyali ayrılıklarına etkili bir yaklaşım sunuyor.Recursive nature of IIR filtreler, mühendisler, yüksek çözünürlükte sistemleri inşa edebilir ve gerçek zamanlı performans, düşük bellek kullanımı ve gerçek zamanlı donanıma devam eder. - yanıt aşamasındaki ticaret-öpücükler ve mükemmel yeniden yapılandırmalar aşırı filtreleme gibi dikkatli tasarım seçenekleriyle yönetilebilir.
Dijital filtre tasarımı ve uygulanması hakkında daha fazla okuma için, yazara dayalı ders kitabının )The Scientist and Mühendis's Guide to Digital Signal Processing[Döneticileri dahil olmak üzere, Steven W. Smith. Practical design examples of IIR filter) tarafından tasarlanan ve yayınlanan bankaların genel notu ile ilgili olarak, BIR-based structures (İngilizce) tarafından yayınlanan ayrıntılı bir incelemede bulunulmaktadır.