隨著數(shù)字音頻的快速發(fā)展，近些年在音頻擴聲領(lǐng)域，經(jīng)常能聽到音頻技術(shù)人士討論FIR數(shù)字濾波器，有些說法和廠家的宣傳難免有些過于神化，有些廠家的技術(shù)工程師竟然宣稱，自己的FIR濾波器能把每只揚聲器或者整組擴聲系統(tǒng)的相位優(yōu)化到接近于0°！（在某第三方測試軟件的界面上相位特性近似一條直線）。
各位，我們都知道不同頻率的波長是不同的，要把20Hz-20KHz的頻率相位在同一擴聲環(huán)境下統(tǒng)一歸零？我認為這是不太現(xiàn)實，為什么這么說呢？我們用鐘表來打個比喻：假設(shè)鐘表上的秒針、分針、時針，分別代表不同的頻率（或者波長），鐘表只有在0點或者12點鐘的那一刻相位是歸零的。其他任意時間軸都不可能完全歸零，也就好比100Hz、1kHz、10KHz只要在同一時間和空間里面做工，任一頻率都會以不同的頻率周期在360°的周期內(nèi)循環(huán)。在某一時間軸上，不同頻率所處的相位角是不同的。
FIR濾波器說到底能給音頻擴聲帶來什么樣的幫助呢？首先我們要問什么是FIR濾波器？和傳統(tǒng)IIR的濾波器有什么區(qū)別或者特性？
我們先來了解一下濾波器的特性。
1、低通濾波器
從0～f1頻率之間，它可以使信號中低于f1的頻率成分通過，而高于f1的頻率成分受到極大地衰減。
2、高通濾波器
與低通濾波相反，從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。
3、帶通濾波器
通頻帶在f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以通過，而其它成分受到衰減。
4、帶阻濾波器
與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。
我們常用的PEQ、GEQ也在近似于帶通濾波器和帶阻濾波器上演變而來。僅濾波器而言，對于某環(huán)境下的擴聲系統(tǒng)的幅頻特性是很容易做出變量，也就是我們比較關(guān)心的頻響曲線的平滑性，通過增益和衰減能快速的對過多或者過少的某些頻率進行修整，從而達到人兒聽覺所需的頻率響度值。但是，很多時候我們會發(fā)現(xiàn)，即使聽覺響度的幅頻特性滿足了預設(shè)值，但是實際聽感卻并不滿意（比如明顯感覺擴聲系統(tǒng)在還原聲音的時候存在離散性、脫節(jié)、動態(tài)欠佳等）。這種現(xiàn)象除了擴聲系統(tǒng)本身存在一定的缺陷之外，同時跟擴聲環(huán)境也密切相關(guān)。
那么在實際擴聲應(yīng)用中對系統(tǒng)造成上述缺陷的原因有哪些呢？
1、揚聲器本質(zhì)的缺陷，大部分揚聲器都是有2個以上的喇叭單元組成，喇叭與喇叭之間相位設(shè)計、喇叭與箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、分頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計等等，都會對擴聲系統(tǒng)造成劣化；
2、擴聲系統(tǒng)的架構(gòu)，音源從混音臺到功放再到揚聲器，整個路由的系統(tǒng)架構(gòu)也很容易對整個擴聲系統(tǒng)造成劣化的因素存在；
3、擴聲環(huán)境因素，很多擴聲環(huán)境都對聲音存在干涉或者破壞，甚至環(huán)境溫度和空氣濕度都會對聲音不同頻率造成非線性變量；
4、擴聲系統(tǒng)相頻特性非線性失真和環(huán)境多次反射產(chǎn)生的多個聲源衍生的相位關(guān)系相互干涉。
自從數(shù)字音頻在應(yīng)用中得到普及之后，傳統(tǒng)的IIR濾波器似乎已經(jīng)不能滿足我們的要求，因此FIR濾波器也就被炒的風生水起。那么IIR型濾波器與FIR型濾波器有什么本質(zhì)區(qū)別呢？為什么沒有跟數(shù)字IIR濾波器同時誕生呢？
1、IIR濾波器，是無限脈沖響應(yīng)濾波器，又稱遞歸型濾波器，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。
特點：
IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式，具有反饋回路；
IIR數(shù)字濾波器的相位非線性，相位特性不好控制，隨截止頻率變化而變化；
IIR濾波器有歷史的輸出參與反饋，同F(xiàn)IR相比在相同階數(shù)時取得更好的濾波效果；
IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，由于運算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時會對信號產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。
2、FIR濾波器，是有限長單位沖激響應(yīng)濾波器，又稱為非遞歸型濾波器，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證任意幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應(yīng)是有限長的，因而濾波器是相對穩(wěn)定的系統(tǒng)。
特點：
FIR濾波器的最主要的特點是沒有反饋回路，穩(wěn)定性強，故不存在不穩(wěn)定的問題；
FIR具有嚴格的線性相位，幅頻特性隨意設(shè)置的同時，保證精確的線性相位；
FIR相對IIR濾波器而言，相同性能指標時，階次較高，對CPU的性能要求較高。
3、兩者的區(qū)別
穩(wěn)定性：由于FIR濾波器沒有反饋回路，穩(wěn)定性要強于IIR;
相位特性：FIR為線性相位延遲，IIR為非線性相位延遲。
運行平臺：IIR濾波器成本更低，可以采用模擬元器件搭建，也可以用普通IC芯片來實現(xiàn)；而FIR如果采用傳統(tǒng)芯片來設(shè)計的話，系統(tǒng)延時將會遠遠大于IIR的系統(tǒng)延時，好在現(xiàn)在FPGA芯片在很多大數(shù)據(jù)運行和交換的平臺上得到廣泛應(yīng)用，基于FPGA運行平臺上可實現(xiàn)并行計算的功能，從而實現(xiàn)高階FIR濾波器的架構(gòu)，而且還能保證極低的系統(tǒng)延時。
上面我們提到，濾波器能改變幅頻特性，能把頻響曲線處理的相對平滑，采用IIR濾波器來改變?yōu)V波器的參量，同時也會對相頻特性造成變化，相頻特性的失真不僅是產(chǎn)生相位延時，數(shù)字音頻都是基于算法來實現(xiàn)因果關(guān)系，如果系統(tǒng)中的濾波器在一個失真信號的基礎(chǔ)上去計算的話，那么結(jié)果一定也是不理想的。
既然FIR濾波器相對IIR濾波器有諸多優(yōu)點，那么為什么到今天卻并沒有在實際應(yīng)用中得到普及呢？目前在音頻領(lǐng)域已經(jīng)有一些廠家研發(fā)出具備FIR濾波器的軟硬件，在實際應(yīng)用過程中，目前有很多爭議，有些產(chǎn)品在應(yīng)用過程中還需要第三方軟硬件的配合才能應(yīng)用到系統(tǒng)中去，有些FIR的階數(shù)不夠高，還不能處理全頻段的信號，尤其頻率越低越難以處理。有些加載了FIR濾波器，使整個系統(tǒng)產(chǎn)生巨大延時（十幾毫秒甚至幾十毫秒），在現(xiàn)場擴聲系統(tǒng)中是無法接受的。
當然，F(xiàn)IR濾波器也不是萬能的，音樂始終是歸納為藝術(shù)范疇，擴聲系統(tǒng)的功能也是要為音樂藝術(shù)服務(wù)的，好的擴聲系統(tǒng)或者的好聽的音樂藝術(shù)，絕非僅靠好看的頻響圖就能實現(xiàn)完美的。
俗話說，世間萬物都得講究個陰陽平衡，尤其對于擴聲系統(tǒng)的處理過程中，能用簡單的方法處理好的系統(tǒng)，千萬別整復雜了，過度的依賴FIR濾波器，其實是一種不自信的表現(xiàn)，剛才說了，萬物講究平衡，當你通過某些手段獲得一定收貨的時候，那么同時你也一定會失去某些不想失去的東西。好比我們在使用FIR濾波器，越來越多的工程師都喜歡追求更高的數(shù)字采樣率和比特率，覺得參數(shù)越高就越精準，數(shù)字音頻的軟硬件對于自然聲源來講，在AD/DA過程中，過度的采樣、量化、處理，反而會讓聲音的本質(zhì)屬性變得本末倒置；FIR濾波器也是如此，如何把控FIR處理的尺度是非常關(guān)鍵的，過度的FIR處理，可能會讓聲音變得更“干凈”，但是很大程度上也會失去一部分應(yīng)有的“味道”；就好比一個演員要上舞臺表演，其實恰到好處的化化妝就非常好了，干嘛非要整個容再上去？
在過去的兩年多時間里面，我們對“北京賽因公司”的APC460L這臺FIR濾波器，可以說是了解比較深刻的。說到FIR處理尺度把控，我們在APC460L應(yīng)有的過程中，總結(jié)了幾點經(jīng)驗給大家分享一下。
一、測量前正確設(shè)置
其實任何軟件，在應(yīng)用前都需要詳細了解其特性，在測量前，首先要設(shè)置一個合適的信號電平和測量
話筒的拾音比例，過大或者過小的電平值都會讓FIR濾波器產(chǎn)生“誤判”。
二、如何選擇最佳測量位置和如何架設(shè)測量話筒？
對于立體聲擴聲系統(tǒng)來講，如何預設(shè)拾音話筒的位置、距離、高度、以及拾音話筒的方向？都會對測量結(jié)果產(chǎn)生“誤判”，為了更客觀的對直達聲和反射聲進行采樣，建議測量話筒于地面保持垂直狀；話筒頭高度接近人耳位置。
三、如何判斷測量的客觀性？
總結(jié)：測量信號電平和測量話筒擺放的重要性。
1、如果測量電平過低，對采樣精度不夠，計算結(jié)果不夠客觀；
2、如果測量電平過高，會引起FIR過度處理，尤其對高頻的過度處理。
3、為什么建議測量話筒與地面保持90度垂直狀態(tài)？是因為APC不僅要對揚聲器系統(tǒng)拾取信號，同時還需要結(jié)合擴聲環(huán)境的反射聲進行采樣，這樣架設(shè)測量話筒理論上更客觀。
四、低頻與全頻的響度比
首先我們來看一張“人耳等響曲線圖”，以1KHz的聲壓級為參考，當1KHz=100dB時：
30Hz≈+18dB
40Hz≈+12dB
100Hz≈+3dB
300-500Hz≈-2dB
2KHz-5KHz≈-12dB
10KHz≈+6dB
適用于大多數(shù)人耳的相對響度值。
五、APC處理后低頻響度變小了是什么原因？
首先我們再看一下上面的這張“人耳等響曲線圖”，人耳對不同頻率的響度感知的靈敏度是不一樣的。當我們在用APC測量的時候，往往對原系統(tǒng)的響度平衡沒有做調(diào)整，也就是原系統(tǒng)的低頻往往比全頻的響度要大很多，APC通過采樣獲取的信息后，默認為低頻的能量是過多的，在計算的時候把高于全頻的能量給衰減掉，因為機器只是把頻響曲線處理的相對平滑（對于機器來說這是一個默認值），因此在測量前最好先調(diào)整低頻與全頻的響度比例。
把所有需要測量點完成后，再把低頻響度恢復到適合人耳聽覺曲線的響度就OK了。不同的音樂風格和不同的音響師對聲音的理解都會存在差異，響度曲線沒有必要固化，是相對的而不是絕對。因此，APC第一步工作只是把原來不干凈、不清晰的聲音處理“干凈”提高清晰度。
六、如何設(shè)置人耳等響曲線？
在“Curve Design”窗口，在綠色線上任意點雙擊鼠標左鍵，就可以創(chuàng)建一個“EQ”點，左右移動頻率，上下移動增益或者衰減，如果要限制帶寬，可以在“EQ”點左右兩邊再雙擊鼠標，就建立了一個類似Q值的頻帶范圍，左右移動可任意調(diào)整帶寬。
提示：在APC響度曲線調(diào)整的時候，系統(tǒng)聲音不能實時變化，每次變動曲線后，都需要點擊APPLY后，等待機器進行數(shù)據(jù)寫入，當進度條完成后即可。
如果對設(shè)置的曲線不滿意，需要回到平直的曲線點擊 RESET TO FLAT，等待進度條走完就完成清除上一次的曲線數(shù)據(jù)。
當曲線經(jīng)過FIR濾波器處理器后，無論你任意修改響度曲線是不會破壞相頻特性的，也就是說，在保證聲音干凈的基礎(chǔ)上你可以任意調(diào)整響度曲線（這跟調(diào)音臺或者處理器上去調(diào)整PEQ的結(jié)果是完全不同的聽感）。
FIR濾波器要在擴聲領(lǐng)域得到普及，還有很長的一段路要走，目前在應(yīng)用功能上還比較單一，尤其涉及到多通道輸入和輸出與擴聲環(huán)境融合方面還不能夠滿足需要，期望這些技術(shù)研發(fā)人員能夠多結(jié)合實際應(yīng)用現(xiàn)場，深度融合現(xiàn)場應(yīng)用需求，研發(fā)出更便捷，實用性更高的產(chǎn)品出來。
|
