Частотная фильтрация

1.10.1. Частотная фильтрация

Фильтрация — это процесс обработки электрического звукового сигнала частотноизбирательными устройствами с целью изменения спектрального состава (тембра) сигнала. Задачами такой обработки могут быть:

амплитудно-частотная коррекция сигнала (усиление или ослабление отдельных частотных составляющих);
полное подавление спектра сигнала или шумов в определенной полосе частот.

Например, если микрофон, акустическая система или еще какой-либо элемент звукового тракта имеют неравномерную амплитудно-частотную характеристику, то с помощью фильтров эти неравномерности могут быть сглажены. Если в результате анализа спектра выяснилось, что в некоторой области частот в основном сосредоточена энергия помех, а энергии сигнала совсем немного, то посредством фильтрации все колебания в этом диапазоне частот можно подавить.
Для осуществления фильтрации созданы самые различные устройства: отдельные корректирующие и формантные фильтры, устройства для разделения звука на несколько каналов по частотному признаку (кроссоверы), двухполосные и многополосные регуляторы тембра (эквалайзеры), фильтры присутствия и т. д.
Основой фильтров, реализованных программным путем в составе звуковых редакторов, служит спектральный анализ. Любой реальный сигнал может быть представлен в виде набора коэффициентов разложения в ряд по гармоническим функциям. Фильтрация сводится к умножению спектральных коэффициентов на соответствующие значения передаточной функции фильтра. Если спектр представлен в комплексной форме, то сигнал описывается совокупностью амплитудного и фазового спектров (АС и ФС), а фильтры — амплитудно-частотными и фазо-частотными характеристиками (АЧХ и ФЧХ). АЧХ представляет собой зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты. ФЧХ отражает сдвиг фазы выходного сигнала по отношению ко входному в зависимости от частоты. В этом случае фильтрация эквивалентна перемножению АС на АЧХ и алгебраическому сложению ФС с ФЧХ.

Классический спектральный анализ из-за наличия большого количества операций перемножения занимает очень много процессорного времени и при значительном числе отсчетов сигнала неосуществим в реальном темпе обработки. Для сокращения времени спектрального анализа дискретных сигналов разработаны специальные алгоритмы, учитывающие наличие связей между различными отсчетами сигнала и устраняющие повторяющиеся операции. Одним из таких алгоритмов является быстрое преобразование Фурье (БПФ).
В зависимости от расположения полосы пропускания на оси частот фильтры подразделяются на:

фильтры нижних частот (ФНЧ) (Low Pass), типичные АЧХ и ФЧХ которых показаны на Рисунок 1.22;
фильтры верхних частот (ФВЧ) (High Pass), их АЧХ и ФЧХ показаны на Рисунок 1.23;
полоснопропускающие (полосовые) фильтры (Band Pass) (Рисунок 1.24);
полоснозадерживающие (режекторные) фильтры (Band Stop) (Рисунок 1.25).

На рисунках по горизонтальным осям отложено значение частоты, по вертикальным осям отложены значения передаточных функций K(f) или фазовых сдвигов

(t) в зависимости от частоты.
Тот участок АЧХ, где коэффициент передачи не равен нулю, соответствует полосе пропускания фильтра. В полосе задерживания (или подавления), напротив, коэффициент передачи фильтра должен быть минимальным (в идеальном случае нулевым).
Характеристики, представленные на Рисунок 1.22-1.25 являются идеализированными: реальные фильтры, строго говоря, не позволяют обеспечить равенство передаточной функции нулю вне полосы пропускания. Колебания в полосе подавления пусть и значительно ослабленные, все равно проникают через фильтр.
Реальные фильтры низких и высоких частот характеризуются следующими основными параметрами:

частотой среза;
шириной полосы пропускания;
неравномерностью характеристики в полосе пропускания;
крутизной ската характеристики в области перехода от полосы пропускания к полосе задерживания.

Для полосового фильтра добавляется еще один параметр — добротность, под которой понимают отношение центральной частоты фильтра к полосе его пропускания.

Содержание Назад Вперед