關(guān)于抽取和插值濾波器的介紹

本白皮書(shū)介紹了有關(guān)抽取和插值濾波器的新觀點(diǎn)。它提供了有關(guān)這些濾波器的簡(jiǎn)要介紹和歷史觀點(diǎn)，以及信號(hào)等待時(shí)間的可聽(tīng)性，IIR濾波器的適用性和相位失真的可聽(tīng)性。

引言和歷史觀點(diǎn)

早期的數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要非常高級(jí)的模擬濾波器，以在A / D轉(zhuǎn)換中提供抗混疊濾波，并在D / A轉(zhuǎn)換過(guò)程中提供重構(gòu)濾波。這些高階模擬濾波器的一個(gè)特征是音頻頻帶內(nèi)有大量的相移。這些濾波器不僅制造困難，而且過(guò)多的相移被認(rèn)為是與早期數(shù)字音頻系統(tǒng)相關(guān)的不良音質(zhì)的主要來(lái)源。模擬反圖像濾鏡可去除剩余的圖像。對(duì)A / D轉(zhuǎn)換也執(zhí)行了類(lèi)似的過(guò)程，其中模擬抗混疊濾波器被低階模擬濾波器的組合所代替，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，并使用數(shù)字抽取將采樣率降低至適當(dāng)?shù)幕l。帶率。部分由于與較高階高階模擬濾波器的相位響應(yīng)相關(guān)的可聽(tīng)性問(wèn)題，這些數(shù)字內(nèi)插和抽取濾波器是通過(guò)線性相位有限沖激響應(yīng)（FIR）濾波器實(shí)現(xiàn)的。在帶內(nèi)相位響應(yīng)方面，鐘擺從一種極端轉(zhuǎn)向另一種極端，用于轉(zhuǎn)換過(guò)程的線性相位FIR濾波器成為“圣地”，并在25年后繼續(xù)成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

48 kHz采樣率下的脈沖響應(yīng)（X軸，以微秒為單位）

信號(hào)延遲或時(shí)間延遲的可聽(tīng)性

數(shù)字音頻系統(tǒng)會(huì)引入時(shí)間延遲。這種延遲不僅是由于抽取和內(nèi)插濾波器引起的，而且還由于傳輸鏈路和數(shù)字信號(hào)處理的結(jié)果。在大多數(shù)應(yīng)用中，這種延遲是聽(tīng)不到的。但是，延遲是現(xiàn)場(chǎng)聲音應(yīng)用程序中公認(rèn)的問(wèn)題?？紤]一下表演者通過(guò)耳機(jī)或揚(yáng)聲器反饋實(shí)況混音的情況。如果監(jiān)聽(tīng)器信號(hào)鏈中有足夠的延遲以產(chǎn)生回聲的感覺(jué)，那么對(duì)于藝術(shù)家而言，要繼續(xù)表演是非常困難的，即使不是不可能的。有記錄的這種效果，并且很可能大多數(shù)人在電話連接不良的情況下都遇到了這種現(xiàn)象。

后退到角落

看來(lái)我們已經(jīng)退縮了。平坦的頻率響應(yīng)和最小的預(yù)回聲的矛盾要求給A / D和D / A轉(zhuǎn)換器IC的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了一系列有趣的挑戰(zhàn)，尤其是在44.1和48 kHz時(shí)。盡管FIR濾波器被認(rèn)為是“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”，但它們?cè)谟?jì)算上效率低下，并且在遇到嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)現(xiàn)實(shí)時(shí)通常需要權(quán)衡設(shè)計(jì)?！氨M管有許多巧妙的方案可以提高計(jì)算效率，但在所需響應(yīng)和抽頭數(shù)量之間達(dá)成折衷并不罕見(jiàn)。折衷方案是在衰減，平坦響應(yīng)，通帶（和衰減區(qū)域）中的紋波，過(guò)渡帶等之間進(jìn)行權(quán)衡。”正確解決這些問(wèn)題的FIR成本不僅存在問(wèn)題，而且濾波器還需要額外的抽頭，轉(zhuǎn)化為增加的時(shí)間延遲。本質(zhì)上，平坦的頻率響應(yīng)，不存在預(yù)回聲和亞毫秒級(jí)延遲的理想屬性與FIR濾波器互斥。

IIR濾波器的適用性

解決這些問(wèn)題的一種方法是過(guò)渡到無(wú)限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器。IIR濾波器的計(jì)算效率更高，與FIR濾波器相比，它具有更大的處理靈活性。這種效率包括最大程度地降低（如果不能消除）預(yù)回波并保持所有采樣率的平坦頻率相位響應(yīng)的靈活性。IIR濾波器的另一個(gè)好處是極大地改善了延遲特性。具有與FIR相當(dāng)?shù)念l率響應(yīng)的IIR延遲規(guī)范在5到10個(gè)采樣周期的范圍內(nèi)，或比FIR少75％。

相位失真的可聽(tīng)性

關(guān)于階段的可聽(tīng)性的一個(gè)令人困惑的問(wèn)題是，當(dāng)實(shí)際上應(yīng)該將討論作為兩種不同的情況時(shí)，通常將討論視為單個(gè)主題。相位失真的可聽(tīng)度必須按以下方式進(jìn)行評(píng)估：

通道間相位失真。表征為兩個(gè)或多個(gè)通道之間的相位響應(yīng)差異

通道內(nèi)相位失真。通過(guò)通道內(nèi)的非線性相位響應(yīng)來(lái)表征，規(guī)定系統(tǒng)內(nèi)所有通道之間的相位響應(yīng)均匹配（即通道間失真等于0毫秒）

通道間相位失真

我們使用耳朵接收到的聲音之間的幅度和相位關(guān)系來(lái)定位聲音的來(lái)源?，F(xiàn)代音頻系統(tǒng)使用此屬性來(lái)創(chuàng)建所謂的影像，或更能感知樂(lè)器或人聲來(lái)自與實(shí)際揚(yáng)聲器位置不同的位置。通過(guò)簡(jiǎn)單地顛倒原本正確配置的立體聲系統(tǒng)的一個(gè)聲道上的揚(yáng)聲器連接，就可以輕松證明聲道間相位失真的可聽(tīng)見(jiàn)效果。成像丟失立即引起注意，即使對(duì)于那些不表示標(biāo)準(zhǔn)操作的患者也是如此，但這并沒(méi)有顯示出潛在的影響。測(cè)試的結(jié)果是，您很難找到有人認(rèn)為180度的通道間相位失真是可以接受的。

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