隨著數(shù)字音頻的快速發(fā)展，近些年在音頻擴(kuò)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(shuō)法和廠家的宣傳難免有些過(guò)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(yáng)聲器或者整組擴(kuò)聲系統(tǒng)的相位優(yōu)化到接近于0°�。ㄔ谀车谌綔y(cè)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(zhǎng)是不同的，要把20Hz-20KHz的頻率相位在同一擴(kuò)聲環(huán)境下統(tǒng)一歸零？我認(rèn)為這是不太現(xiàn)實(shí)，為什么這么說(shuō)呢？我們用鐘表來(lái)打個(gè)比喻：假設(shè)鐘表上的秒針、分針、時(shí)針，分別代表不同的頻率（或者波長(zhǎng)），鐘表只有在0點(diǎn)或者12點(diǎn)鐘的那一刻相位是歸零的。其他任意時(shí)間軸都不可能完全歸零，也就好比100Hz、1kHz、10KHz只要在同一時(shí)間和空間里面做工，任一頻率都會(huì)以不同的頻率周期在360°的周期內(nèi)循環(huán)。在某一時(shí)間軸上，不同頻率所處的相位角是不同的。
FIR濾波器說(shuō)到底能給音頻擴(kuò)聲帶來(lái)什么樣的幫助呢？首先我們要問(wèn)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(lái)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(hào)中低于f1的頻率成分通過(guò)，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(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，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(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以通過(guò)，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(hào)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(hào)幾乎不受衰減地通過(guò)。
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(lái)。僅濾波器而言，對(duì)于某環(huán)境下的擴(kuò)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(guò)增益和衰減能快速的對(duì)過(guò)多或者過(guò)少的某些頻率進(jìn)行修整，從而達(dá)到人兒聽覺所需的頻率響度值。但是，很多時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使聽覺響度的幅頻特性滿足了預(yù)設(shè)值，但是實(shí)際聽感卻并不滿意（比如明顯感覺擴(kuò)聲系統(tǒng)在還原聲音的時(shí)候存在離散性、脫節(jié)、動(dòng)態(tài)欠佳等）。這種現(xiàn)象除了擴(kuò)聲系統(tǒng)本身存在一定的缺陷之外，同時(shí)跟擴(kuò)聲環(huán)境也密切相關(guān)。
那么在實(shí)際擴(kuò)聲應(yīng)用中對(duì)系統(tǒng)造成上述缺陷的原因有哪些呢？
1、揚(yáng)聲器本質(zhì)的缺陷，大部分揚(yáng)聲器都是有2個(gè)以上的喇叭單元組成，喇叭與喇叭之間相位設(shè)計(jì)、喇叭與箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)等等，都會(huì)對(duì)擴(kuò)聲系統(tǒng)造成劣化；
2、擴(kuò)聲系統(tǒng)的架構(gòu)，音源從混音臺(tái)到功放再到揚(yáng)聲器，整個(gè)路由的系統(tǒng)架構(gòu)也很容易對(duì)整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)造成劣化的因素存在；
3、擴(kuò)聲環(huán)境因素，很多擴(kuò)聲環(huán)境都對(duì)聲音存在干涉或者破壞，甚至環(huán)境溫度和空氣濕度都會(huì)對(duì)聲音不同頻率造成非線性變量；
4、擴(kuò)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(gè)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(fēng)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(shí)誕生呢？
1、IIR濾波器，是無(wú)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(diǎn)：
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(shí)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(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時(shí)會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。
2、FIR濾波器，是有限長(zhǎng)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(hào)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(shí)具有嚴(yán)格的線性相頻特性，同時(shí)其單位抽樣響應(yīng)是有限長(zhǎng)的，因而濾波器是相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)。
特點(diǎn)：
FIR濾波器的最主要的特點(diǎn)是沒有反饋回路，穩(wěn)定性強(qiáng)，故不存在不穩(wěn)定的問(wèn)題；
FIR具有嚴(yán)格的線性相位，幅頻特性隨意設(shè)置的同時(shí)，保證精確的線性相位；
FIR相對(duì)IIR濾波器而言，相同性能指標(biāo)時(shí)，階次較高，對(duì)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(qiáng)于IIR;
相位特性：FIR為線性相位延遲，IIR為非線性相位延遲。
運(yùn)行平臺(tái)：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(lái)實(shí)現(xiàn)；而FIR如果采用傳統(tǒng)芯片來(lái)設(shè)計(jì)的話，系統(tǒng)延時(shí)將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IIR的系統(tǒng)延時(shí)，好在現(xiàn)在FPGA芯片在很多大數(shù)據(jù)運(yùn)行和交換的平臺(tái)上得到廣泛應(yīng)用，基于FPGA運(yùn)行平臺(tái)上可實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的功能，從而實(shí)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(shí)。
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(duì)平滑，采用IIR濾波器來(lái)改變?yōu)V波器的參量，同時(shí)也會(huì)對(duì)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(shí)，數(shù)字音頻都是基于算法來(lái)實(shí)現(xiàn)因果關(guān)系，如果系統(tǒng)中的濾波器在一個(gè)失真信號(hào)的基礎(chǔ)上去計(jì)算的話，那么結(jié)果一定也是不理想的。
既然FIR濾波器相對(duì)IIR濾波器有諸多優(yōu)點(diǎn)，那么為什么到今天卻并沒有在實(shí)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(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，目前有很多爭(zhēng)議，有些產(chǎn)品在應(yīng)用過(guò)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(hào)，尤其頻率越低越難以處理。有些加載了FIR濾波器，使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生巨大延時(shí)（十幾毫秒甚至幾十毫秒），在現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)聲系統(tǒng)中是無(wú)法接受的。
當(dāng)然，F(xiàn)IR濾波器也不是萬(wàn)能的，音樂始終是歸納為藝術(shù)范疇，擴(kuò)聲系統(tǒng)的功能也是要為音樂藝術(shù)服務(wù)的，好的擴(kuò)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(shí)現(xiàn)完美的。
俗話說(shuō)，世間萬(wàn)物都得講究個(gè)陰陽(yáng)平衡，尤其對(duì)于擴(kuò)聲系統(tǒng)的處理過(guò)程中，能用簡(jiǎn)單的方法處理好的系統(tǒng)，千萬(wàn)別整復(fù)雜了，過(guò)度的依賴FIR濾波器，其實(shí)是一種不自信的表現(xiàn)，剛才說(shuō)了，萬(wàn)物講究平衡，當(dāng)你通過(guò)某些手段獲得一定收貨的時(shí)候，那么同時(shí)你也一定會(huì)失去某些不想失去的東西。好比我們?cè)谑褂肍IR濾波器，越來(lái)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(zhǔn)，數(shù)字音頻的軟硬件對(duì)于自然聲源來(lái)講，在AD/DA過(guò)程中，過(guò)度的采樣、量化、處理，反而會(huì)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(guò)度的FIR處理，可能會(huì)讓聲音變得更“干凈”，但是很大程度上也會(huì)失去一部分應(yīng)有的“味道”；就好比一個(gè)演員要上舞臺(tái)表演，其實(shí)恰到好處的化化妝就非常好了，干嘛非要整個(gè)容再上去？
在過(guò)去的兩年多時(shí)間里面，我們對(duì)“北京賽因公司”的APC460L這臺(tái)FIR濾波器，可以說(shuō)是了解比較深刻的。說(shuō)到FIR處理尺度把控，我們?cè)贏PC460L應(yīng)有的過(guò)程中，總結(jié)了幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)給大家分享一下。
一、測(cè)量前正確設(shè)置
其實(shí)任何軟件，在應(yīng)用前都需要詳細(xì)了解其特性，在測(cè)量前，首先要設(shè)置一個(gè)合適的信號(hào)電平和測(cè)量
話筒的拾音比例，過(guò)大或者過(guò)小的電平值都會(huì)讓FIR濾波器產(chǎn)生“誤判”。
二、如何選擇最佳測(cè)量位置和如何架設(shè)測(cè)量話筒？
對(duì)于立體聲擴(kuò)聲系統(tǒng)來(lái)講，如何預(yù)設(shè)拾音話筒的位置、距離、高度、以及拾音話筒的方向？都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生“誤判”，為了更客觀的對(duì)直達(dá)聲和反射聲進(jìn)行采樣，建議測(cè)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(cè)量的客觀性？
總結(jié)：測(cè)量信號(hào)電平和測(cè)量話筒擺放的重要性。
1、如果測(cè)量電平過(guò)低，對(duì)采樣精度不夠，計(jì)算結(jié)果不夠客觀；
2、如果測(cè)量電平過(guò)高，會(huì)引起FIR過(guò)度處理，尤其對(duì)高頻的過(guò)度處理。
3、為什么建議測(cè)量話筒與地面保持90度垂直狀態(tài)？是因?yàn)锳PC不僅要對(duì)揚(yáng)聲器系統(tǒng)拾取信號(hào)，同時(shí)還需要結(jié)合擴(kuò)聲環(huán)境的反射聲進(jìn)行采樣，這樣架設(shè)測(cè)量話筒理論上更客觀。
四、低頻與全頻的響度比
首先我們來(lái)看一張“人耳等響曲線圖”，以1KHz的聲壓級(jí)為參考，當(dāng)1KHz=100dB時(shí)：
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(duì)響度值。
五、APC處理后低頻響度變小了是什么原因？
首先我們?cè)倏匆幌律厦娴倪@張“人耳等響曲線圖”，人耳對(duì)不同頻率的響度感知的靈敏度是不一樣的。當(dāng)我們?cè)谟肁PC測(cè)量的時(shí)候，往往對(duì)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(guò)采樣獲取的信息后，默認(rèn)為低頻的能量是過(guò)多的，在計(jì)算的時(shí)候把高于全頻的能量給衰減掉，因?yàn)闄C(jī)器只是把頻響曲線處理的相對(duì)平滑（對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)這是一個(gè)默認(rèn)值），因此在測(cè)量前最好先調(diào)整低頻與全頻的響度比例。
把所有需要測(cè)量點(diǎn)完成后，再把低頻響度恢復(fù)到適合人耳聽覺曲線的響度就OK了。不同的音樂風(fēng)格和不同的音響師對(duì)聲音的理解都會(huì)存在差異，響度曲線沒有必要固化，是相對(duì)的而不是絕對(duì)。因此，APC第一步工作只是把原來(lái)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(diǎn)雙擊鼠標(biāo)左鍵，就可以創(chuàng)建一個(gè)“EQ”點(diǎn)，左右移動(dòng)頻率，上下移動(dòng)增益或者衰減，如果要限制帶寬，可以在“EQ”點(diǎn)左右兩邊再雙擊鼠標(biāo)，就建立了一個(gè)類似Q值的頻帶范圍，左右移動(dòng)可任意調(diào)整帶寬。
提示：在APC響度曲線調(diào)整的時(shí)候，系統(tǒng)聲音不能實(shí)時(shí)變化，每次變動(dòng)曲線后，都需要點(diǎn)擊APPLY后，等待機(jī)器進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，當(dāng)進(jìn)度條完成后即可。
如果對(duì)設(shè)置的曲線不滿意，需要回到平直的曲線點(diǎn)擊 RESET TO FLAT，等待進(jìn)度條走完就完成清除上一次的曲線數(shù)據(jù)。
當(dāng)曲線經(jīng)過(guò)FIR濾波器處理器后，無(wú)論你任意修改響度曲線是不會(huì)破壞相頻特性的，也就是說(shuō)，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(tái)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(kuò)聲領(lǐng)域得到普及，還有很長(zhǎng)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(kuò)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(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，深度融合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求，研發(fā)出更便捷，實(shí)用性更高的產(chǎn)品出來(lái)。
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