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在声音的拾取过程及音响设备传送过程中,由于设备或器件的原因,其幅频响应的不一致性导致不能够达到较好的听觉效果[1]。而音频均衡器可以起到频率补偿的作用,削弱环境、设备等带来的负面影响,提升音乐表现力。
音频均衡器有模拟均衡器和数字均衡器之分,数字音频系统以其更好的抗干扰能力,和更高的性价比而备受青睐。“数字”带来的也不都是优点,有限字长效应导致了诸如系数量化误差,极限环、信号截断误差和舍入误差等问题,这些因素为优质的数字音频均衡器的设计带来了技术挑战。
本论文的研究主要基于一款XILINX公司的FPGA开发板(Spartan-3 MB开发板,使用150万门的Xilinx Spartan-3芯,型号:XC3S1500-4FG676)。经过分析,选择了经典的二阶滤波器作为研究对象。为了更好的削弱截断误差所带来的影响,本文实现了一种带优化误差反馈结构的均衡器,依据其原理,这种结构可以最大限度的削弱滤波器的极点对截断误差的放大作用。作为仿真分析的基础本文先是计算出了一套均衡器系数,并给出了其频率响应曲线及相关的说明。之后,利用这套系数,分别以量化后的白噪声和正弦信号作为输入信号,进行了仿真分析。通过与另外两种带有不同误差反馈结构的均衡器对比得出,本文所提出的均衡器结构可以很好的实现均衡功能,并且在抑制截断误差影响方面具有明显优势,尤其在输入信号幅度接近可表示的最小幅值时,效果更为明显,相对于其他两种结构有3dB以上的优势。
最后,为了考察这种均衡器的资源消耗情况以及实际测试其使用情况,本文参考实际产品实现了一个具备均衡功能的简单音频处理器。对比三种带有不同反馈结构的均衡器资源消耗情况,同时考虑均衡器相对于整个系统的资源消耗比,可以得出这样的结论:本文所提出的均衡器结构以可接受的硬件实现代价换取了更好的噪声性能表现。
本文中所设计的滤波器,其增益G,中心频率fc和品质因数Q均可调,其中G的调节范围为-12dB～12dB,具有108dB的动态范围以及理论上90dB以上的信噪比。
基于之前的工作积累,本文中采用的均衡器输入信号为24bit量化,48kHz采样的I2S格式信号。