CN104682919B - 一种解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其利用滤波器有关音频数据输入和音频数据输出的计算公式，通过增加临时变量的位宽以及添加动态调节临时变量的算法解决了均衡器定点化后频率漂移的问题，整个方法不但简单，不仅不需要大量的计算电路，而且省去了原来必须增加的系数位宽，因此实现起来不但成本更低而且提高了工作效率。

Description

一种解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法
技术领域
本发明涉及一种特殊的数字滤波器，尤其是指如何解决均衡器定点化后出现频率漂移的问题。
背景技术
由于均衡器(EQ)是一种特殊的滤波器，在数字领域，受成本及实现难度的影响，一般都由IIR滤波器完成。而IIR滤波器在输入端要求输出端的反馈，所以当设计的EQ滤波器系数比较特殊时，即中心频率比较低(例如小于100Hz)，且幅频曲线比较抖(如质量因子Q>2)的时候，在定点化时就会出现很大的误差。导致的结果是整段波形会叠加一段噪声分量，从而造成频率漂移。
对于一般的IIR滤波器，如果定点化之后发现有频率漂移现象，一般是由系数精度不够造成的，只要增加系数位宽即可。但是对于EQ滤波器，虽然结构是IIR，但是因为决定EQ特性的四个变量(中心频率，采样频率，增益，质量因子)组合很多，所以产生的系数也有很多组合，既有不会产生频率漂移的情况，也有特殊的出现频率漂移的情况。而在这种特殊的情况下，传统的解决方案除了增加系数位宽，还必须对每个数据做四舍五入的定点，如果还达不到要求，必须要做动态位宽定点化。
对于EQ特殊系数的情况，传统的解决方案并没有针对EQ的特性下手，而只是采用一般的，通用的针对IIR滤波器精度不够的一种方案。如果应用这种通用的解决方案，不仅过程复杂，需增加大量计算，而且需要大量的寄存器存储计算过程中的临时变量，对于硬件电路来说，无疑会增加成本且降低效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种不但减少成本且提高效率的能解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其步骤如下：第一步，根据滤波器有关音频数据输入和音频数据输出的计算公式设置若干个对应包括输入变量和反馈变量的临时变量，然后对所述滤波器有关音频数据输入和音频数据输出的计算公式中所有系数进行定点化运算，根据定点化位宽确定音频数据输出值的移位；第二步，增加所述反馈变量的位宽，使音频数据输出值继续移位，同时更新临时变量，对所述输出值进行相应补偿；第三步，对所述反馈变量进行动态调节，使输出结果更加精确；第四步，若有音频数据超出了指定的位宽，则需要将所述音频数据压缩在该位宽内，最终输出完成饱和处理。
本发明所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，考虑了EQ滤波器特殊系数的情况下，反馈变量所占比重大的特性，因此采取了增加反馈变量位宽的方法，如此以来，不仅不再需要大量计算电路，而且省去了原来必须增加的系数位宽，不但成本低而且提高了工作效率。
附图说明
图1是滤波器的计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参考图1所述滤波器的计算流程图，若x[n]表示音频数据的输入，y[n]表示音频数据的输出，所述输入x[n]与系数b0的积得到第一个数值、所述输入x[n]的上一个数据x[n-1]与系数b1的积得到第二个数值以及所述输入x[n-1]的上一个数据x[n-2]与系数b2的积得到第三个数值，所述输出y[n]的上一个数据y[n-1]与系数a1的积得到第四个数值，所述输出y[n-1]的上一个数据y[n-2]与系数a2的积得到第五个数值，上述所有数值的和就是输出y[n]的数值，用公式表示如下：(其中，系数ak和bk是由EQ的采样率、中心频率、增益、品质因数这四个参数决定)。
本发明以二阶IIR滤波器结构为例具体说明，即N＝2时上图的传递函数为：y[n]＝b0*x[n]+b1*x[n-1]+b2*x[n-2]+a1*y[n-1]+a2*y[n-2]，根据上述公式，第一步，首先设置四个临时变量存储prex[0]、prex[1]、prey[0]、prey[1],其中prex[0]和prex[1]是输入变量，prey[0]和prey[1]是反馈变量，且设定：prex[1]＝prex[0]；prex[0]＝x[n]；prey[1]＝prey[0]；prey[0]＝y[n]，其中x[n]为第n个输入，y[n]为第n个输出；由于所述系数b0、b1、b2、a1、a2都是浮点数，但是在实时系统中用浮点数计算成本太大，所以必须要将浮点数转化为整数进行定点化运算，假设系数b0、b1、b2、a1、a2的定点化位宽均为M，因此需要将上述所有的系数全部左移M位变成一个整数，即b0＝b0<<M、b1＝b1<<M、b2＝b2<<M、a1＝a1<<M、a2＝a2<<M，既然前面的计算过程中所有系数都左移了M位，因此此时输出值y[n]必须右移M位才能保证输出结果正确，用公式表示如下：y[n]＝b0*x[n]+b1*prex[0]+b2*prex[1]+a1*prey[0]+a2*prey[1]>>M；第二步，增加所述反馈变量prey[0]的位宽，根据经验可知，增加2位位宽就可解决定点化漂移的问题，由于prey[1]是根据prey[0]的改变而改变，且实际上prey[0]和prey[1]的位数始终相同，如此以来，其实就使prey[1]和prex[0]同时增加了两位位宽，那么再代入上述的公式后，得出的结果必须会再右移两位，从而导致输出值y[n]会右移(M-2)位，此时公式变化为：y[n]＝{b0*x[n]+b1*prex[0]+b2*prex[1]+(a1*prey[0]+a2*prey[1])>>2}>>(M-2)；同时更新四个临时变量，prex[1]＝prex[0]；prex[0]＝x[n]；prey[1]＝prey[0]；prey[0]＝y[n]；由于增加的反馈变量位宽的数值是2，因此输出y[n]需要右移两位进行补偿,用公式表示如下：y[n]＝y[n]>>2；第三步，由于特殊系数EQ滤波器的特性，它的反馈变量prey[1]、prey[0]所占比较较大，会更多的影响最后的输出结果，所以还需要增加一个动态调节的小算法：如果prey[1]、prey[0]大于0，则prey[1]＝prey[1]-C，prey[0]＝prey[0]-C；如果prey[1]、prey[0]小于0，则prey[1]＝prey[1]+C，prey[0]＝prey[0]+C(其中C是常数，对二阶IIR滤波器结构而言，根据经验，在运算中四舍五入后，此时常数C＝1),通过上述动态调节，可以使输出结果更加精确；最后一步，若有音频数据超出了指定的位宽，则需要将所述音频数据压缩在该位宽内，最终输出完成饱和处理。
本发明以二阶IIR滤波器结构为例具体说明，实际上可以是N阶IIR滤波器，比如若是三阶IIR滤波器或者四阶IIR滤波器等运用上述的方法也能实现本发明的目的，不过此时，对三阶IIR滤波器而言，需要设置6个临时变量；对四阶IIR滤波器而言，需要设置8个临时变量，依次类推，虽然同时运算也会相应增加，但是由于增加的是临时变量的位宽而不是增加系数的位宽，因此相比之下，整体运算还是会简单很多。
本发明针对EQ特性提出了新的针对定点化频率漂移的解决方案，由于采取了增加反馈变量位宽的方法，因此不仅不需要大量的计算电路，而且省去了原来必须增加的系数位宽，如此以来，实现起来不但简单且成本较低。

Claims (9)

1.一种解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其步骤如下：第一步，根据滤波器有关音频数据输入和音频数据输出的计算公式设置若干个对应包括输入变量和反馈变量的临时变量，然后对所述滤波器有关音频数据输入和音频数据输出的计算公式中所有系数进行定点化运算，根据定点化位宽确定音频数据输出值的移位，所述计算公式为：x[n]表示音频数据的第n个输入，y[n]表示音频数据的第n个输出，ak和bk为系数，N表示所述滤波器的阶数；第二步，增加所述反馈变量的位宽，使音频数据输出值继续移位，同时更新临时变量，对所述输出值进行相应补偿；第三步，对所述反馈变量进行动态调节，使输出结果更加精确，如果反馈变量prey[1]和prey[0]大于零，则prey[1]＝prey[1]-C，prey[0]＝prey[0]-C；如果prey[1]和prey[0]小于零，则prey[1]＝prey[1]+C，prey[0]＝prey[0]+C，其中C是根据经验而得的常数；第四步，若有音频数据超出了指定的位宽，则需要将所述音频数据压缩在该位宽内，最终输出完成饱和处理。
2.如权利要求1所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述第一步中，若所有系数的定点化位宽均为一个数值，那么此时输出值会右移该数值个位。
3.如权利要求2所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述第二步中，增加所述反馈变量的位宽后，所述音频数据的输出就由所述定点化位宽的数值和增加的位宽值决定。
4.如权利要求3所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述音频数据的输出会右移。
5.如权利要求1或3所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述反馈变量的位宽是根据经验值得到。
6.如权利要求1所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述第二步中，所述对输出值进行相应补偿的数值就是所述增加的反馈变量位宽的数值。
7.如权利要求6所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述输出值需要右移进行相应补偿。
8.如权利要求1或2所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述系数是由所述均衡器的采样率、中心频率、增益、品质因数这四个参数决定。
9.如权利要求1所述的解决均衡器定点化后出现频率漂移的方法，其特征在于：所述滤波器是指N阶IIR滤波器。
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