Разбираемся в сущности фильтрации

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.

Работая с программой Adobe Audition вы будете часто пользоваться эквалайзерами. Эквалайзеры представляют собой устройства, объединяющие в себе несколько фильтров, предназначенные для изменения спектральных свойств (тембра) обрабатываемого сигнала. Первоначально эквалайзер (equalizer, EQ), в основном, выполнял функции устройства, компенсирующего неравномерность того или иного участка тракта усиления и преобразования звукового сигнала. При наличии эквалайзера можно как бы выровнять исходно неровную АЧХ. Отсюда возникло и название "эквалайзер" — "выравниватель". Известны несколько различных по назначению и по устройству типов эквалайзеров, среди них:

графический эквалайзер;
параметрический эквалайзер;
фильтр присутствия;
кроссовер.

Графический эквалайзер — это набор полосовых фильтров с фиксированными центральными частотами и переменным коэффициентом усиления, которым можно управлять при помощи слайдера. В качестве регуляторов принято использовать именно ползунки, т. к. положение их ручек представляет собой некое подобие графика АЧХ эквалайзера. Именно поэтому такие эквалайзеры принято называть "графическими" — пользователь как бы рисует ползунками необходимую ему кривую АЧХ.

Итак, графический эквалайзер — это набор полосовых фильтров, которые полностью отделяют друг от друга определенные полосы частот. Для того чтобы иметь возможность управлять частотной характеристикой во всей области звуковых частот, такие фильтры соединены параллельно. На вход всех фильтров подается один и тот же сигнал, и задача каждого фильтра состоит в том, чтобы усилить или ослабить "свой" участок спектра в соответствии с положением регулятора коэффициента усиления (слайдера).

Частоты, на которых осуществляется регулирование в графических эквалайзерах, унифицированы и выбираются из ряда стандартных частот, перекрывающих весь звуковой диапазон, и отстоящих друг от друга на некоторый интервал. Этот интервал может составлять октаву, ее половину, или треть октавы.

Число полос регулирования может составлять более 30 в серьезных профессиональных моделях.

Самый низкочастотный фильтр эквалайзера не обязательно должен быть полосовым, он может быть и фильтром нижних частот. Аналогично самый высокочастотный фильтр может быть фильтром верхних частот.

Наиболее часто графические эквалайзеры применяются для обработки суммарного сигнала, "доводки" общей картины, а не отдельных составляющих, как другие виды эквалайзеров. С помощью графического эквалайзера можно приближенно сформировать необходимую АЧХ системы обработки звука или акустической системы: поднять усиление в одних областях спектра и уменьшить его в других. Однако графический эквалайзер (даже многополосный) мало пригоден для ювелирной частотной коррекции. Ведь центральные частоты фильтров неизменны. Они могут и не совпадать в точности с теми частотами, на которых следует подчеркнуть или, напротив, подавить спектральные составляющие. В подобных случаях на помощь приходит параметрический эквалайзер.

Параметрический эквалайзер позволяет управлять не только коэффициентом усиления фильтра, но и его центральной частотой, а также добротностью (по существу, шириной полосы пропускания). При наличии некоторого опыта вы сможете точно устанавливать значения этих параметров таким образом, чтобы подчеркнуть звук отдельного инструмента или удалить нежелательную помеху (например, фон 50 Гц или частоту самовозбуждения акустической системы) с минимальным влиянием на остальные элементы звукового образа.

Для формирования АЧХ сложного вида применяются многополосные параметрические эквалайзеры, параметры каждого из которых можно изменять независимо.

Фильтр "присутствия" (от англ. presence) позволяет добиться впечатления, что звучащий инструмент (или голос певца) находится в одной комнате со слушателем. На самом деле это не что иное, как регулируемый полосовой фильтр, центральная частота которого лежит где-то в диапазоне от 2 до 6 кГц. Фильтр "присутствия" в гитарном комбике помогает сделать звук гитары более ярким и заметным на фоне звуков остальных инструментов.

Кроссовер — это устройство, которое разделяет входной сигнал на несколько выходных, причем каждый выходной сигнал содержит колебания только определенного диапазона частот. Кроссовер представляет собой набор полосовых и пороговых фильтров (по количеству выходных каналов) с общим входом и отдельными выходами.

Хотя кроссоверы и не являются эквалайзерами в непосредственном значении этого слова, их работа основана на тех же принципах.

Как известно, практически невозможно создать громкоговоритель, который одинаково хорошо воспроизводил бы все диапазоны частот: и высокие, и средние, и низкие. Если сузить диапазон воспроизводимых громкоговорителем частот, то его разработка упростится, однако для воспроизведения звука во всем диапазоне потребуется несколько различных громкоговорителей. Самый большой из них служит для воспроизведения низких частот, а самый маленький — для воспроизведения высоких. В высококачественных акустических системах к ним добавляется третий — воспроизводящий средние частоты. Для нормальной работы громкоговорителя необходимо, чтобы на него подавались сигналы только в том диапазоне частот, на который он рассчитан. В целях разделения широкополосного сигнала на несколько полос с различными частотами и применяются кроссоверы.

Освежив в памяти терминологию, связанную с фильтрацией аудиосигналов, можно переходить к анализу основных фильтров Adobe Audition, доступ к которым осуществляется посредством команд подменю Effects > Filters.

Содержание раздела