Разбираемся в сущности фильтрации
В гл. 4 вы познакомились с инструментами спектрального анализа, имеющимися в Adobe Audition. Вы также научились применять их на практике с тем, чтобы обнаруживать различные аномалии, которые не всегда бывают заметными, если представлять сигнал в виде волновой формы, но явно обнаруживают себя в спектре. Однако само по себе спектральное представление сигнала немногого бы стоило, если бы в распоряжении звукорежиссера не было средств для преобразования спектра. И, конечно, в Adobe Audition такие средства имеются. Есть множество разновидностей частотных фильтров, позволяющих как угодно преобразовывать амплитудный спектр. Есть также несколько обработок, базирующихся на изменении не только амплитуд спектральных составляющих сигнала, но и его фазового спектра, а значит, позволяющих управлять стереополем. Обо всем этом и пойдет речь в данной главе.
Подробно о фильтрации мы рассказали в книгах [10, 12], поэтому сейчас ограничимся лишь предельно краткими сведениями о сути фильтрации и классификации используемых фильтров.
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 от дельных 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 эти неравномерности можно сгладить с помощью фильтров. Если в результате анализа спектра выяснилось, что энергия помех в основном сосредоточена в некотором диапазоне частот, а энергии сигнала здесь 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. В гл. 4 мы рассказали о том, как любой реальный сигнал может быть представлен в виде набора коэффициентов разложения в ряд по гармоническим (синусоидальным и косинусоидальным) 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 фазочастотными характеристиками (АЧХ и ФЧХ). АЧХ представляет собой зависимость коэффициента передачи фильтра от частоты. ФЧХ отражает сдвиг фазы выходного сигнала по отношению к 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) [12].
В зависимости от расположения полосы пропускания на оси частот фильтры подразделяются на:
- фильтры нижних частот (ФНЧ) (Low Pass);
- фильтры верхних частот (ФВЧ) (High Pass);
- полоснопропускающие (полосовые) фильтры (Band Pass);
- полоснозадерживающие (режекторные) фильтры (Band Stop).
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).
Реальные фильтры, строго говоря, не позволяют обеспечить равенство передаточной функции нулю вне полосы пропускания. Колебания в полосе задерживания, 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.
Примером устройства, в котором применяются ФНЧ и ФВЧ, являются регуляторы тембра (высоких и низких частот), которые есть почти в каждом бытовом усилителе, приемнике или магнитофоне. Одновременно данное устройство можно считать также простейшим эквалайзером. С его помощью можно отрегулировать звучание системы таким образом, чтобы оно соответствовало вашим вкусам.
Помимо регуляторов тембра НЧ и ВЧ во многих усилителях и других системах встречается регулятор тембра средних частот. По существу, этот регулятор управляет полосовым фильтром. Он предназначен для усиления или ослабления сигнала в сравнительно узкой полосе частот звукового спектра.