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11 Signale und Systeme Konzepte zum Entwerfen eines Audio-Grafik-Equalizers

11 Signale und Systeme Konzepte zum Entwerfen eines Audio-Grafik-Equalizers - Dummies

Im Folgenden finden Sie elf Signale und Systemkonzepte, die sich auf den Entwurf eines Signalverarbeitungssystems beziehen, das als Audio-Grafikentzerrer bekannt ist. Wenn Sie Musik über einen tragbaren Musik-Player oder einen Computer anhören, können Sie den Klang in der Regel anpassen. Mit einem Satz von zehn Klangreglern können Sie das Frequenzspektrum des zugrunde liegenden Musiksignals nach Belieben neu gestalten.

Stellen Sie die Kernanforderungen eines Equalizers

Als Signal- und Systemingenieur benötigen Sie ein besseres Verständnis des Frequenzgangs der Hörsäle, die für die Preset-Liste vorgesehen sind. Die Form der Frequenzantwort, die der Entzerrer repräsentieren muss, bestimmt die Kernanforderungen der Entzerrerarchitektur.

Zum Beispiel sind die Frequenzgang-Extreme von besonderem Interesse, da sie dabei helfen, die Frequenzgangform der einzelnen Filter, die pro Filter benötigten Verstärkungsextrema und möglicherweise die Abtastrate festzulegen.

Auswahl der Systemabtastrate

Die Akustikforschung zeigt Informationen über die Frequenzgangformen, die das System modellieren muss. Für eine zeitdiskrete Implementierung müssen Sie die Abtastrate wählen, um die relevanten Frequenzbänder für Audiosignale zu erfassen. Die Abtastrate wird höchstwahrscheinlich durch die Abtastrate der Audiowiedergabe bestimmt.

Für Studio-Geräte ist eine Abtastrate von 48, 96 oder 128 kSPS geeignet. Für CDs mit CD-Qualität liegt der Standard bei 44,1 kHz. Eine übermäßige Abtastrate treibt die Signalverarbeitungsanforderungen in die Höhe, da die Summe der Abtastungen pro Sekunde und die Filteranforderungen von Multiplikationen und Adds pro Filter auf die Implementierungsanforderungen des Entwurfs einwirken.

Wählen Sie einen Prototypenfilter

Sie müssen den grundlegenden Filtertyp für das Design im Inhalt vieler Filter betrachten, die ungefähr unabhängig voneinander wirken. Mit jedem Schieberegler möchten Sie die Lautstärke von nur einem Band von Frequenzen unabhängig von den anderen Bändern, die Sie möglicherweise festhalten möchten, ohne Pegeländerungen anheben und absenken.

Sie möchten, dass der Filter relativ einfach ist, weil Sie viele Filterbänder benötigen, aber der Filter muss leicht auf die verschiedenen Bandanwendungen abgestimmt werden können. Der ideale Filter ist einer, der alle angrenzenden Frequenzbänder mit einer Verstärkung von eins durchläuft, aber die Verstärkung über ein schmales Band von Frequenzen anheben und absenken kann. Der Filter der Wahl ist als Peaking-Filter bekannt.

Entscheiden Sie, wie viele Filter benötigt werden.

Die Frequenzgangdiagramme, die Sie als Teil der Akustikforschung erhalten, geben Auskunft darüber, wie viele Filterbänder benötigt werden.Auch hier kommt die Praxis zum Tragen, ebenso wie die Tradition. Die Tradition zeigt, dass 10-Oktaven-Filter mit Bandabstand ein vernünftig gutes Audio-Equalizer-Design ergeben. Insbesondere breiten sich die Oktavband-Mittenfrequenzen von 31,25 Hz bis 16,000 Hz aus und decken das Audiospektrum von 20 Hz bis 20 kHz angemessen ab.

Man beachte die Systemarchitektur des Entzerrers

Ein Kandidatarchitekturansatz für den Zehnbandentzerrer ist das Einfügen einer Kaskade von zehn digitalen Peakingfiltern mit einer Systemfunktion H i ( z ), i = 0, 1, ..., 9, zwischen der Signalquelle und dem Digital-Analog-Wandler (DAC).

Credit: Illustration von Mark Wickert, PhD

Idealerweise hat jeder Filter eine Frequenzantwortgröße, die eine Einheitsverstärkung (0 dB, weil 20 log 10 [1] = 0) überall außer in einer schmales Frequenzband um die Mittenfrequenz unter den Schiebern. Die Durchlassbänder der Filter sind zusammenhängend, so dass die zehn Bänder zusammen ungefähr das Audiospektrum von 20 Hz bis 20 kHz abdecken.

Der idealisierte Frequenzgang der Kaskade wird für eine bestimmte Equalizer-Einstellung und Abtastrate f s angezeigt.

Credit: Illustration von Mark Wickert, PhD

Den Peaking-Filter charakterisieren

Ein Peaking-Filter liefert Verstärkung oder Dämpfung (Dämpfung) bei einer bestimmten Mittenfrequenz f c . Ein Spitzenfilter hat eine Einheitsfrequenzantwortgröße oder eine Verstärkung von 0 dB bei Frequenzen weit entfernt von der Mittenfrequenz. Bei der Mittenfrequenz f c ist die Frequenzantwortgröße in dB G dB , die kontinuierlich über einen Bereich von beispielsweise +/- 12 einstellbar ist. dB.

Bevor Sie sich zu einem endgültigen Entwurf verpflichten, benötigen Sie eine zusätzliche Charakterisierung. Gleichzeitig zeigt sich die Filterkomplexität, denn das Studium der Frequenzantwort bedeutet, dass Sie wahrscheinlich von der Systemfunktion arbeiten müssen. Aus der Systemfunktion kann man auch die Differenzgleichungsdarstellung erhalten, die eng mit einem Filterimplementierungsalgorithmus verbunden ist.

Wählen Sie den Peaking-Filter Q -Wert

Der Parameter Q ist umgekehrt proportional zur Filterbandbreite. Für eine feste Q , 3. Zwischen den Oktavbändern treten 5 Wellen auf. Die Fähigkeit, Spitzen und Täler in der gesamten Frequenzantwort zu implementieren, geht zurück auf die Akustikforschung und auch auf die Notwendigkeit, zehn Oktaven von 31, 25 Hz bis 16 kHz abzudecken.

Wenn Q zu groß ist, bedeuten die Welligkeiten im Kaskadenfrequenzgang, dass einige Frequenzen überhaupt nicht verstärkungsgesteuert werden können, aber wenn Q zu klein ist, Durchlassbänder bluten zusammen, was es schwieriger macht, Frequenzantwortdetails darzustellen. A Q von 3. 5 wird für den Rest dieser Entwurfsanalyse ausgewählt.

Gain-Einstellbereich berücksichtigen

Die Akustik-Research- und Equalizer-Voreinstellungen bestimmen den Bereich des Gain-Werts, der für jeden Schieberegler benötigt wird. In der Praxis macht ein zu großer Bereich von Verstärkungswerten die Verarbeitungsalgorithmen aufgrund von Betrachtungen des dynamischen Bereichs komplexer.Ein vernünftiger Ausgangspunkt ist +/- 12 dB.

Beachten Sie, dass CD-Audio mit einem Dynamikumfang von 16 Bit aufgenommen wird, was ungefähr 96 dB des Gesamtsignaldynamikbereichs entspricht. Wenn ein Equalizer die Verstärkung einzelner Frequenzbänder um +/- 12 dB erhöhen und verringern kann, wird der Dynamikbereich um weitere 24 dB erweitert. Sie benötigen mehr Bits an Präzision im Ausgangssignalstrom, um dies im System-DAC nutzbar zu machen.

Arbeiten Sie mit dem Algorithmus math

Bei der Implementierung von diskreten Zeitsystemen haben Sie die Wahl zwischen Fließkommaarithmetik oder Festpunktarithmetik für die Filterdifferenzgleichungen. Fixed-Point-Mathematik ist im Allgemeinen effizienter, abhängig von der Prozessorarchitektur. Wenn der Prozessor Fließkommaoperationen unterstützt, ist Gleitkomma der Weg zu gehen. In kleinen Batteriestromgeräten ist jedoch möglicherweise keine Gleitkommazahl verfügbar.

Sie müssen die Peaking-Filter studieren, um zu sehen, ob alle zehn Oktaven leicht mit Festkommamathematik erstellt werden können, ohne dass Performance-Nachteile entstehen. Bei der Verwendung von Festkommamathematik ist die Bitbreite im Allgemeinen 16-Bit-Vorzeichen, während Gleitkomma im Allgemeinen 32 Bit beträgt.

Trainieren Sie den Equalizer mit Testbed-Überlegungen

Sie müssen ein sogenanntes Bit-True Arithmetik-Testbett durchführen, um den Equalizer mit echten Testsignalen aus Standard-Musikquellen vollständig zu betreiben. Die Idee mit dem Prüfstand ist es, die gesamte Systemleistung mit echten Signalen und echten Equalizer-Voreinstellungen, nach denen der Kunde gefragt hat, bewerten zu können. Mit dem Prüfstand sollten Sie alle kritischen Anforderungen an das Design erfüllen können.

Testleistung

Der eigentliche Vorteil des Zehnband-Equalizers besteht darin, dass Sie die spektrale Form, die Sie dem durch den Equalizer fließenden Signal zur Verfügung stellen, grafisch darstellen können, indem Sie nur die Positionen der Schieberegler betrachten.

Credit: Illustration von Mark Wicker, PhD