ES2341200B2 - PROCEDURE AND APPLIANCE FOR DIGITAL SIGNAL FILTERING. - Google Patents

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ES2341200B2 ES200800229A ES200800229A ES2341200B2 ES 2341200 B2 ES2341200 B2 ES 2341200B2 ES 200800229 A ES200800229 A ES 200800229A ES 200800229 A ES200800229 A ES 200800229A ES 2341200 B2 ES2341200 B2 ES 2341200B2
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Abstract

Procedimiento y aparato para el filtrado digital de señales.Procedure and apparatus for digital filtering of signals.

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento y un aparato para el filtrado digital de señales aplicable a campos como el audio, vídeo, comunicaciones, radar, sismología etc., que permite conseguir una excelente resolución espectral en un amplio rango de frecuencias. Además, se consigue un gran ahorro computacional con relación a los filtros digitales empleados hasta el momento. Fundamentalmente, el procedimiento comprende utilizar una combinación de filtros digitales lineales con filtros lineales deformados, bien en cascada o en paralelo. La invención es especialmente útil en el campo de la acústica.The main object of the present invention is a procedure and an apparatus for digital signal filtering applicable to fields such as audio, video, communications, radar, seismology etc., which allows to achieve an excellent resolution spectral in a wide range of frequencies. In addition, you get a great computational savings in relation to digital filters employees so far. Fundamentally, the procedure includes using a combination of linear digital filters with Deformed linear filters, either cascaded or parallel. The invention is especially useful in the field of acoustics.

Description

Procedimiento y aparato para el filtrado digital de señales.Procedure and apparatus for digital filtering of signals.

Objeto de la invenciónObject of the invention

El objeto principal de la presente invención es un procedimiento y un aparato para el filtrado digital de señales que combina filtros digitales lineales con filtros lineales deformados (warped en terminología inglesa).The main object of the present invention is a procedure and an apparatus for digital signal filtering which combines linear digital filters with linear filters warped (warped in English terminology).

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Antecedentes de la invenciónBackground of the invention

El filtrado digital de señales es ampliamente empleado en diferentes campos, como audio, vídeo, comunicaciones, radar, sismología, etc. En el presente documento denominaremos "ecualización" a un filtrado cuyo objetivo es mejorar o compensar la respuesta no ideal de un sistema mediante el filtrado de su respuesta compleja con el filtro diseñado para que la respuesta filtrada se parezca a una respuesta objetivo. Por el contrario, cuando lo que se desea es aislar una parte concreta (por ejemplo, una banda de frecuencias) de una señal para obtener características determinadas de dicha señal, diremos que se trata de un "análisis".Digital signal filtering is widely employed in different fields, such as audio, video, communications, radar, seismology, etc. In this document we will name "equalization" to a filter whose objective is to improve or compensate for the non-ideal response of a system by filtering of your complex response with the filter designed so that the Filtered response resembles an objective response. For him on the contrary, when what is desired is to isolate a specific part (for example, a frequency band) of a signal to obtain certain characteristics of said signal, we will say that it is about an analysis".

Por otro lado, en el presente documento llamaremos "sistema" al dispositivo cuya respuesta se desea filtrar. Ejemplos de sistemas pueden ser un altavoz, un radar, canal de comunicaciones, etc. La siguiente ecuación relaciona la función de transferencia ideal del filtro a diseñar con la función de transferencia objetivo y la función de transferencia del sistema:On the other hand, in this document we will call the system whose response you want to call "system" filter. Examples of systems can be a speaker, a radar, channel of communications, etc. The following equation relates the function ideal transfer filter to design with the function of objective transfer and transfer function of the system:

1one

Cuando la función de transferencia del sistema no sea de fase mínima, su inversa será inestable, por lo que la función de transferencia del sistema filtrado podrá sólo aproximarse la función de transferencia objetivo.When the system transfer function is not of minimum phase, its inverse will be unstable, so the transfer function of the filtered system may only approximate The objective transfer function.

En los últimos años se han desarrollado diversos métodos para el diseño de filtros digitales. Sin embargo, cuando la banda de frecuencias a ecualizar o analizar abarca un amplio rango de octavas (por ejemplo, tres o superior), todos estos métodos requieren de un elevado coste computacional para poder conseguir una resolución espectral en la ecualización adecuada en todo el rango de frecuencias.In recent years, various methods for the design of digital filters. However, when the frequency band to equalize or analyze covers a wide range octaves (for example, three or higher), all these methods require a high computational cost to get a spectral resolution in proper equalization across the entire range of frequencies

Los filtros digitales lineales consiguen una excelente resolución en altas frecuencias, pero deficiente en bajas frecuencias (respecto a la frecuencia de muestreo f_{s} empleada) si no se emplean filtros de alto orden, lo que su pone un enorme coste computacional cuando se implementa el filtro lineal en el dominio del tiempo. El coste computacional es menor si se implementa en el dominio de la frecuencia mediante transformada de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform en inglés). Sin embargo, esta solución introduce una latencia, debida a los procesos de almacenamiento en búfer a la entrada y la salida, que puede limitar su uso en aplicaciones de tiempo real que requieran baja latencia. En aplicaciones de audio, por ejemplo, esta latencia puede resultar incómoda para los oyentes y músicos.Linear digital filters get a excellent resolution at high frequencies, but poor at low frequencies (with respect to the sampling frequency f_ {s} used) if high order filters are not used, which puts a huge computational cost when the linear filter is implemented in the time domain The computational cost is lower if implemented in the frequency domain by Fourier transform (FFT, Fast Fourier Transform in English). However, this solution introduces a latency, due to storage processes in buffer at the entrance and exit, which can limit its use in Real-time applications that require low latency. In audio applications, for example, this latency can result uncomfortable for listeners and musicians.

Los filtros deformados o warped, por otro lado, permiten conseguir una resolución no lineal que, en función de la elección de un parámetro, puede ser mayor a bajas frecuencias a costa de perderla a altas frecuencias. Sin embargo, uno de los mayores inconvenientes de los filtros deformados o warped consiste en el aumento del coste computacional.Warped or warped filters, on the other hand, allow to achieve a non-linear resolution that, depending on the choice of a parameter, may be higher at low frequencies at cost of losing it at high frequencies. However, one of the major drawbacks of warped or warped filters consist in the increase of the computational cost.

Por tanto, existe una necesidad de un filtro digital que presente una buena resolución tanto a altas como a bajas frecuencias, y que no suponga un coste computacional excesivo ni introduzca latencias no permitidas.Therefore, there is a need for a filter digital that has a good resolution at both high and low frequencies, and that does not involve excessive computational cost or Enter latencies not allowed.

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Descripción de la invenciónDescription of the invention

De acuerdo con una segunda clasificación, los filtros digitales se pueden dividir en filtros digitales FIR (Respuesta al Impulso Finita) y filtros digitales IIR (Respuesta al Impulso Infinita).According to a second classification, the digital filters can be divided into FIR digital filters (Response to Finite Impulse) and IIR digital filters (Response to Infinite Impulse).

Los filtros digitales FIR son fáciles de diseñar e implementar, son siempre estables y pueden corregir la respuesta en magnitud y fase al mismo tiempo. Su diseño se puede llevar a cabo en el dominio de la frecuencia o en el dominio del tiempo. En el dominio de la frecuencia, el procedimiento de diseño de filtros más sencillo es la inversión de la transformada de Fourier de la respuesta deseada del filtro. Por otro lado, en el dominio de la frecuencia se puede utilizar la aproximación por mínimos cuadrados (J. N. Mourjopoulos, "Digital Equalization of Room Acoustics", J. Audio Eng. Soc. Vol. 42, no. 11, pp. 884-900, Nov. 1994). La resolución de los filtros lineales suele ser bastante buena a altas frecuencias (depende principalmente de la relación entre la frecuencia de muestreo y el orden del filtro), mientras que en bajas frecuencias la resolución suele ser demasiado baja, lo que se traduce en un rizado en la respuesta del filtro en frecuencias bajas que puede resultar inadmisible, y que se va atenuando a medida que aumenta el orden del filtro.FIR digital filters are easy to design and implement, are always stable and can correct the response in magnitude and phase at the same time. Your design can be carried out in the frequency domain or in the time domain. At frequency domain, the filter design procedure more simple is the inversion of the Fourier transform of the Desired filter response. On the other hand, in the domain of frequency the least squares approach can be used (J. N. Mourjopoulos, "Digital Equalization of Room Acoustics", J. Audio Eng. Soc. Vol. 42, no. 11, pp. 884-900, Nov. 1994). The resolution of linear filters is usually quite good at high frequencies (mainly depends on the relationship between the sampling frequency and the order of the filter), while at low frequencies the resolution is usually too low, which translates into a curl in the frequency filter response casualties that may be unacceptable, and that is attenuated as which increases the order of the filter.

La ecuación que define la función de transferencia de un filtro digital FIR lineal es la siguiente:The equation that defines the function of Transfer of a linear FIR digital filter is as follows:

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donde N es el orden del filtro.where N is the order of filter.

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Por otro lado, se obtiene un filtro digital FIR deformado o warped cuando se sustituyen los elementos unitarios de retardo z^{-1} de un filtro digital FIR lineal por filtros paso-todo de primer orden. Por lo tanto, la función de transferencia de un filtro digital FIR deformado es la siguiente:On the other hand, a digital FIR filter is obtained warped or warped when the unit elements of delay z <-1> of a linear FIR digital filter by filters step-all first order. Therefore the function transfer of a deformed FIR digital filter is the next:

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donde N es el orden del filtro y \lambda un parámetro del que depende que la deformación mejore la resolución para las altas frecuencias (\lambda>0) o para las bajas frecuencias (\lambda<0).where N is the order of the filter and λ a parameter on which it depends that the deformation improves the resolution for high frequencies (λ> 0) or for low frequencies (\ lambda <0).

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Con este tipo de filtros se obtiene una resolución en frecuencia no uniforme, que puede ser mayor a altas o a bajas frecuencias en función del signo del parámetro \lambda.With this type of filters you get a resolution in non-uniform frequency, which may be higher at high or at low frequencies depending on the sign of the parameter λ.

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En el caso de filtros digitales IIR, la ecuación que define su función de transferencia se caracteriza por tener tanto polos como ceros:In the case of IIR digital filters, the equation that defines its transfer function is characterized by having both poles and zeros:

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Por otro lado, para obtener la función de transferencia de un filtro digital IIR deformado, se sustituyen los elementos de retardo unitarios z^{-1} por filtros paso- todo de primer orden y los coeficientes a_{i} por los nuevos coeficientes \sigma_{i}:On the other hand, to obtain the function of transfer of a deformed IIR digital filter, the unit delay elements z <-1> by pass filters- all of first order and the coefficients a_ {i} by the new coefficients \ sigma_ {i}:

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Por tanto, y de acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento de filtrado digital que comprende aplicar a la señal de respuesta de un sistema un filtrado lineal combinado con, al menos, un filtrado deformado para obtener una respuesta objetivo, que se elige en función de cada aplicación.Therefore, and according to an aspect of the present invention, a filtering process is provided digital comprising applying to the response signal of a system a linear filtrate combined with at least one deformed filtrate to get an objective response, which is chosen based on each application.

Para ello, en primer lugar se obtiene la señal de respuesta del sistema. Por ejemplo, para la ecualización de un altavoz, se podría calcular la respuesta del mismo empleando técnicas como la MLS (Máximum Length Sequence), barrido sinusoidal logarítmico o ruido periódico. Sin embargo, también es posible suponer, con base en la experiencia, que la señal de respuesta del sistema que se desea ecualizar posee unas determinadas características. Por ejemplo, para proporcionar a unos altavoces diferentes ecualizaciones en función del tipo de música reproducida normalmente no se calcula la señal respuesta de los altavoces, sino que se les supone una serie de características comunes a todos los altavoces. Aún una posibilidad más es aplicar el procedimiento de filtrado digital a una señal transmitida, sin que se conozca ni tenga acceso al sistema que originó la señal. Por tanto, en este ámbito el término "la señal de respuesta de un sistema" hace referencia a todas estas posibilidades.To do this, first the signal is obtained System response For example, for the equalization of a speaker, you could calculate the response using techniques such as MLS (Maximum Length Sequence), sinusoidal scanning Logarithmic or periodic noise. However, it is also possible assume, based on experience, that the response signal from the system that you want to equalize has certain features. For example, to provide speakers different equalizations depending on the type of music played normally the response signal of the speakers is not calculated, but that a series of characteristics common to all speakers. Still another possibility is to apply the procedure of digital filtering to a transmitted signal, without knowing or have access to the system that originated the signal. Therefore, in this scope the term "the response signal of a system" makes Reference to all these possibilities.

A continuación, se elige la respuesta objetivo en función de la aplicación. Por ejemplo, para ecualizar unos altavoces específicamente para música jazz, la respuesta objetivo se elige a partir del conocimiento del tipo de sonidos que componen ese tipo de música. En otro ejemplo relativo a un canal de comunicaciones, la respuesta objetivo del canal se elegiría teniendo en cuenta la distorsión máxima que puede soportar ese canal sin pérdida de información.Next, the objective response is chosen depending on the application. For example, to equalize ones speakers specifically for jazz music, the objective response is choose from the knowledge of the type of sounds that make up that kind of music. In another example concerning a channel of communications, the objective response of the channel would be chosen taking take into account the maximum distortion that channel can support without loss of information

El procedimiento, además de producir un ahorro computacional importante con respecto a procedimientos de filtrado conocidos, es eficaz tanto a bajas como a altas frecuencias, pero para obtener unos resultados óptimos se debe aplicar a señales que abarquen un rango de octavas en torno a tres o superior. Por otro lado, es evidente para un experto en la materia que una combinación, en cascada o en paralelo, de filtros digitales lineales se puede simplificar en un solo filtro digital lineal. Por este motivo, el término "un filtro lineal" o a "un filtrado lineal" utilizado en el presente documento abarca también combinaciones de filtros lineales.The procedure, in addition to producing savings important computational regarding filtering procedures known, it is effective at both low and high frequencies, but to obtain optimal results should be applied to signals that cover a range of octaves around three or higher. For another On the other hand, it is obvious to a person skilled in the art that a combination, in cascade or in parallel, linear digital filters can be Simplify in a single linear digital filter. For this reason, the term "a linear filter" or "a linear filter" used herein also covers combinations of linear filters

En otras realizaciones preferidas de la invención, la operación de realizar un filtrado lineal combinado con, al menos, un filtrado deformado comprende una de las siguientes opciones:In other preferred embodiments of the invention, the operation of performing a combined linear filtering with at least one deformed filtrate comprises one of the following options:

- la combinación en cascada de un filtrado lineal y, al menos, un filtrado deformado- the cascading combination of a filtrate linear and at least one deformed filtrate

- la combinación en paralelo de un filtrado lineal y, al menos, un filtrado deformado.- the parallel combination of a filtrate linear and, at least, a deformed filtrate.

Una aplicación preferida de la invención está dirigida al filtrado de sistemas acústicos, entendiéndose como tal cualquier dispositivo destinado a la reproducción sonora, tanto en la etapa final de reproducción como en cualquier etapa intermedia de tratamiento o amplificación de la señal. Realizaciones preferidas del procedimiento dirigido a sistemas acústicos serían los casos de su aplicación a altavoces o audífonos.A preferred application of the invention is aimed at filtering acoustic systems, understood as such any device intended for sound reproduction, both in the final stage of reproduction as in any intermediate stage of Signal treatment or amplification. Preferred embodiments of the procedure aimed at acoustic systems would be the cases of its application to speakers or headphones.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, ésta se extiende también a programas de ordenador, en particular programas de ordenador en contenidos en una portadora, adaptados para llevar a cabo las operaciones del procedimiento descrito. El programa puede estar en forma de código fuente, código objeto o un código intermedio entre el código fuente y el código objeto, como una forma parcialmente compilada, o de cualquier otra forma adecuada para implementar las operaciones de la invención.According to another aspect of the invention, it also extends to computer programs, in particular computer programs in a carrier content, adapted to carry out the operations of the described procedure. He program can be in the form of source code, object code or a intermediate code between the source code and the object code, such as a partially compiled form, or any other suitable form to implement the operations of the invention.

La portadora puede ser cualquier dispositivo o entidad capaz de transportar el programa. Por ejemplo, la portadora puede comprender un medio de almacenamiento, como una ROM, un CD ROM o cualquier otro medio de almacenamiento magnético, por ejemplo un disquete o un disco duro. Además, la portadora puede ser una portadora de transmisión, como una señal eléctrica u óptica que se pueda comunicar a través de cable eléctrico, óptico, por radio o de cualquier otro modo.The carrier can be any device or entity capable of transporting the program. For example, the carrier can comprise a storage medium, such as a ROM, a CD ROM or any other magnetic storage medium, for example a Floppy disk or hard drive. In addition, the carrier can be a transmission carrier, such as an electrical or optical signal that is can communicate via electrical, optical, radio or radio cable any other way.

Por otro lado, de acuerdo con otro aspecto más de la presente invención, se describe un aparato para el filtrado digital de señales, caracterizado porque comprende:On the other hand, according to another aspect of the present invention, an apparatus for filtering is described digital signal, characterized in that it comprises:

- Un medio de entrada, que transmite una señal de entrada a un medio de procesamiento. El medio de entrada, de acuerdo con una realización preferente de la invención, comprende un medio de conversión analógico digital y/o un receptor de tramas digitales (cuando los datos de entrada ya están digitalizados previamente). La función del receptor de tramas digitales es modificar o adecuar el formato de la señal de entrada al medio de procesamiento.- An input medium, which transmits a signal of input to a processing medium. The means of entry, of according to a preferred embodiment of the invention, it comprises a digital analog conversion medium and / or a frame receiver digital (when the input data is already digitized previously). The function of the digital frame receiver is modify or adapt the format of the input signal to the medium of processing

- Un medio de procesamiento, que recibe la señal de entrada del medio de entrada y efectúa un filtrado digital que combina un filtrado lineal con, al menos, un filtrado deformado. El medio de procesamiento puede ser de cualquier tipo capaz de llevar a cabo el procedimiento de filtrado digital que combina un filtrado digital lineal con, al menos, un filtrado digital deformado, de acuerdo con lo descrito previamente en el presente documento, aunque según realizaciones preferentes, puede ser un DSP, una FPGA, un ASIC, un microprocesador o un microcontrolador. Además, en caso de aplicaciones en análisis de señal, el medio de procesamiento es capaz de realizar los cálculos requeridos para extraer la información del análisis, como por ejemplo calcular características como valores medios, efectivos, elaboración de gráficas, etc.- A processing medium, which receives the signal of input of the input medium and performs a digital filtering that combines a linear filtrate with at least one deformed filtrate. He processing medium can be of any type capable of carrying perform the digital filtering procedure that combines a filtrate linear digital with at least one deformed digital filtering of in accordance with what was previously described in this document, although according to preferred embodiments, it can be a DSP, an FPGA, a ASIC, a microprocessor or a microcontroller. In addition, in case of applications in signal analysis, the processing medium is able to perform the calculations required to extract the analysis information, such as calculating characteristics as average, effective values, graphics development, etc.

En caso de aplicar el aparato para el filtrado digital de señales de la presente invención para la ecualización de señales, y de acuerdo con una realización preferente de la invención, dicho aparato comprende además un medio de salida, que transmite la señal filtrada desde el medio de procesamiento hasta otro aparato. En otras realizaciones preferidas de la invención, el medio de salida comprende un medio de conversión digital-analógico y/o un transmisor de los datos en formato digital hacia el exterior.In case of applying the device for filtering digital signal of the present invention for equalization of signals, and according to a preferred embodiment of the invention, said apparatus further comprises an outlet means, which transmits the filtered signal from the processing medium to other device In other preferred embodiments of the invention, the output means comprises a conversion means digital-analog and / or a data transmitter in outward digital format.

De acuerdo con realizaciones preferentes de la invención, el aparato para el filtrado digital de señales comprende además un medio de comunicaciones. El medio de comunicaciones puede ser cualquier medio que permita conectar el aparato a un ordenador o cualquier otro sistema externo para transferir parámetros de configuración del filtrado a implementar, resultados o gráficas calculados por el medio de procesamiento o cualquier otro tipo de información.According to preferred embodiments of the invention, the apparatus for digital signal filtering comprises also a means of communications. The communications medium can be any means that allows the device to be connected to a computer or any other external system to transfer parameters from configuration of the filtrate to be implemented, results or graphics calculated by the processing means or any other type of information.

De acuerdo con una realización preferente más de la invención, el aparato para el filtrado digital de señales comprende un medio de interfaz con los usuarios, que permite que éstos modifiquen parámetros del filtrado. Otra función del medio de interfaz puede ser la visualización de resultados o gráficas calculados por el medio de procesamiento. El medio de interfaz podría ser, por ejemplo, una pantalla táctil o una botonera.According to a preferred embodiment more than the invention, the apparatus for digital signal filtering It comprises a means of interface with users, which allows these modify filtering parameters. Another function of the medium of interface can be the visualization of results or graphs calculated by the processing means. The interface medium it could be, for example, a touch screen or a keypad.

De acuerdo con otra realización preferente de la invención, el aparato para el filtrado digital de señales comprende además un medio de almacenamiento, donde se almacenan datos relativos a las señales ecualizadas o a los parámetros de filtrado. El medio de almacenamiento podría ser cualquiera de los conocidos en la técnica, como por ejemplo un disco duro, un CD, un DVD, etc.According to another preferred embodiment of the invention, the apparatus for digital signal filtering comprises also a storage medium, where data is stored relative to equalized signals or filtering parameters. The storage medium could be any of those known in the technique, such as a hard disk, a CD, a DVD, etc.

Finalmente, de acuerdo con una realización preferente más de la presente invención, el aparato para el filtrado digital de señales comprende un microcontrolador, que controla el funcionamiento de los medios de interfaz y comunicaciones.Finally, according to an embodiment more preferably of the present invention, the apparatus for filtering Digital signal comprises a microcontroller, which controls the operation of the interface and communications media.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to an example preferred practical implementation of it, is accompanied as integral part of that description, a set of drawings where with an illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:

Figura 1.- Gráfica que muestra la ecualización de un altavoz con filtros FIR lineales de órdenes 100, 250, 500 y 1000 (escalados de diez en diez decibelios).Figure 1.- Graph showing the equalization of a speaker with linear FIR filters of orders 100, 250, 500 and 1000 (scaled from ten to ten decibels).

Figura 2.- Gráfica que muestra las respuestas del error (escaladas de diez en diez decibelios) y el valor de e_{log-dB} de filtros FIR lineales.Figure 2.- Graph showing the error responses (scaling from ten to ten decibels) and the e log-dB value of linear FIR filters.

Figura 3.- Gráfica que muestra la estructuras de los filtros FIR deformados.Figure 3.- Graph showing the structures of FIR filters deformed.

Figura 4.- Gráfica que muestra una estructura optimizada de los filtros FIR deformados.Figure 4.- Graph showing a structure optimized deformed FIR filters.

Figura 5.- Gráfica que muestra el efecto de la deformación en función del parámetro \lambda, con una frecuencia de muestreo de 48 Hz.Figure 5.- Graph showing the effect of the deformation depending on the parameter λ, with a frequency 48 Hz sampling.

Figura 6.- Gráfica que muestra la resolución en frecuencias deformada contra lineal, con una frecuencia de muestreo de 48 Hz.Figure 6.- Graph showing the resolution in deformed versus linear frequencies, with a sampling frequency 48 Hz

Figura 7.- Gráfica que muestra la ecualización con filtros FIR deformados de orden un tercio menor que los filtros FIR lineales respectivos, con \lambda=0,766 y f_{s}=48 kHz.Figure 7.- Graph showing the equalization with distorted FIR filters of order one third smaller than filters Respective linear FIRs, with λ = 0.766 and f_ {s} = 48 kHz.

Figura 8.- Gráfica que muestra las respuestas del error y el valor e_{log-dB} para los filtros FIR deformados.Figure 8.- Graph showing the error responses and the e log-dB value for the distorted FIR filters.

Figuras 9 y 10.- Representan estructuras posibles del filtro de acuerdo con la presente invención: en cascada y en paralelo.Figures 9 and 10.- Represent structures Possible filter according to the present invention: cascade and in parallel.

Figuras 11 y 12.- Gráficas que muestran las curvas de resolución de los filtros en octavas y en valor Q.Figures 11 and 12.- Graphs showing the Resolution curves of the filters in octaves and in Q value.

Figura 13.- Gráfica que muestra la respuesta a la ecualización con filtros FIR deformados de orden 33 para dos valores de \lambda.Figure 13.- Graph showing the response to equalization with distorted FIR filters of order 33 for two values of λ.

Figura 14.- Gráfica que muestra la respuesta del error relativa a los filtros de la gráfica anterior.Figure 14.- Graph showing the response of the error relative to the filters in the previous graph.

Figura 15.- Gráfica que muestra los valores de \lambda para la máxima resolución de Q en función de la frecuencia para diferentes frecuencias de muestreo.Figure 15.- Graph showing the values of λ for the maximum resolution of Q as a function of frequency for different sampling frequencies.

Figura 16.- Gráfica que muestra la ecualización obtenida con la estructura de filtro propuesta para N_{MAC}=250 y 100.Figure 16.- Graph showing the equalization obtained with the proposed filter structure for N_ {MAC} = 250 and 100

Figura 17.- Gráfica que muestra las respuestas del error y los valores e_{log-dB} obtenidos con la estructura del filtro de acuerdo con la presente invención para N_{MAC}=250 y 100.Figure 17.- Graph showing the error responses and the e log-dB values obtained with the filter structure according to the present invention for N MAC = 250 and 100.

Figura 18.- Gráfica que muestra la ecualización del altavoz 2 con N_{MAC}=250.Figure 18.- Graph showing the equalization from speaker 2 with N_ {MAC} = 250.

Figura 19.- Gráfica comparativa que muestra la ecualización obtenida con el mismo coste computacional.Figure 19.- Comparative graph showing the equalization obtained with the same computational cost.

Figura 20.- Gráfica que muestra una comparativa entre respuestas de error y valores e_{log-dB}.Figure 20.- Graph showing a comparison between error responses and e -log-dB values.

Realización preferente de la invenciónPreferred Embodiment of the Invention

Según lo explicado anteriormente en el presente documento, se muestra ahora un ejemplo en el que se aplica el procedimiento de la presente invención a la ecualización de altavoces, utilizando una combinación de filtros digitales FIR lineales y deformados, demostrándose que la combinación de ambos ofrece unos resultados óptimos para la ecualización de señales de audio, empleando para ello un bajo coste computacional sin introducir latencia en la operación. Estos resultados se presentan aquí meramente a modo de ejemplo, y en ningún caso pretenden limitar el alcance de la presente invención, que se extiende a combinaciones de filtros digitales lineales y deformados, no necesariamente del tipo FIR. Concretamente, en este ejemplo se ha utilizado un bafle de la marca RAMSA (Panasonic) que tiene un altavoz de graves de 8 pulgadas en configuración de bass-reflex, y un tweeter de 3/4 de pulgada para los agudos.As explained above herein document, an example is now shown in which the procedure of the present invention to equalization of speakers, using a combination of digital FIR filters linear and deformed, showing that the combination of both offers optimal results for equalization of signals from audio, using a low computational cost without Enter latency in the operation. These results are presented. here merely by way of example, and in no case are they intended to limit the scope of the present invention, which extends to combinations of linear and deformed digital filters, not necessarily of FIR type. Specifically, in this example a loudspeaker of the RAMSA brand (Panasonic) that has a 8-speaker bass inches in bass-reflex configuration, and a 3/4 inch tweeter for treble.

Filtros digitales FIR linealesLinear FIR digital filters

En primer lugar, se muestra el comportamiento de los filtros digitales FIR lineales. La Figura 1 muestra los resultados de la ecualización de un altavoz pasivo con un woofer de 8 pulgadas para las frecuencias bajas y un tweeter de ¾ de pulgada para las frecuencias altas. Los filtros FIR lineales de este ejemplo se han diseñado mediante el método de los mínimos cuadrados en el dominio del tiempo (J. N. Mourjopoulos, "Digital Equalization of Room Acoustics", J. Audio Eng. Soc. Vol. 42, no. 11, pp. 884-900, Nov. 1994). El gráfico superior, centrado en 0 decibelios (dB) muestra la respuesta del altavoz sin filtrar H_{altavoz}(\omega) y la respuesta objetivo H_{objetivo}(\omega) se muestra mediante una línea delgada. En este caso se ha seleccionado un objetivo compuesto por un filtro Butterworth paso-alto de cuarto orden a 55 Hz y un filtro Butterworth paso bajo de segundo orden a 18 kHz. La respuesta objetivo respeta la respuesta natural paso-banda del altavoz, extendiendo su respuesta a bajas frecuencias de un modo razonable sin introducir una ganancia excesiva en la respuesta del filtro. Se muestran la respuesta a filtros de orden 100, 250, 500 y 1000, ubicadas a intervalos de 10 dB para evitar que se superpongan unas a otras. Se observa que la ecualización a altas frecuencias es excelente para cualquier orden, pero deficiente a bajas frecuencias, aunque mejora con el orden del filtro.First, the behavior of linear FIR digital filters is shown. Figure 1 shows the equalization results of a passive speaker with an 8-inch woofer for low frequencies and a ¾ inch tweeter for high frequencies. The linear FIR filters of this example have been designed using the least squares method in the time domain (JN Mourjopoulos, "Digital Equalization of Room Acoustics", J. Audio Eng. Soc. Vol. 42, no. 11, pp 884-900, Nov. 1994). The upper graph, centered at 0 decibels (dB) shows the response of the unfiltered loudspeaker H (Ω) and the objective response H objective (Ω) is shown by a thin line. In this case, a lens consisting of a fourth-order high-pass Butterworth filter at 55 Hz and a second-order low-pass Butterworth filter at 18 kHz has been selected. The objective response respects the speaker's natural pass-band response, extending its response at low frequencies in a reasonable manner without introducing excessive gain in the filter response. The response to filters of order 100, 250, 500 and 1000, located at intervals of 10 dB are shown to avoid overlapping each other. It is observed that equalization at high frequencies is excellent for any order, but deficient at low frequencies, although it improves with the order of the filter.

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La baja resolución observada en el eje de frecuencias logarítmico a bajas frecuencias de los filtros FIR lineales es debida al tratamiento lineal del eje de frecuencias en el diseño e implementación del filtro, bien en el dominio del tiempo o de la frecuencia. La resolución en frecuencia de un filtro FIR se define aproximadamente como sigue:The low resolution observed in the axis of logarithmic frequencies at low frequencies of FIR filters linear is due to the linear treatment of the frequency axis in the design and implementation of the filter, either in the time domain or of the frequency. The frequency resolution of an FIR filter is define approximately as follows:

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dondewhere

\Deltaf_{FIR} es la resolución en frecuencia;\ Delta f {FIR} is the frequency resolution;

f_{s} es la frecuencia de muestreo; y f s is the sampling frequency; Y

N es el orden del filtro.N is the order of the filter.

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    

Con una frecuencia de muestreo de 48 kHz, para un orden de 100 se obtiene una resolución de 480 Hz, para 250 se obtiene 192 Hz, para 500 se obtiene 96 Hz, y para 1000 se obtiene 48 Hz. Estas resoluciones son suficientes para la ecualización de altavoces a altas frecuencias, pero no para bajas frecuencias en las que se requieren resoluciones de hasta 5 Hz o incluso menores en la ecualización y colocación de subgraves. Sería necesario diseñar filtros FIR lineales de órdenes superiores a 10000 para conseguir esta resolución, con el inmenso coste computacional que ello requiere si se implementan en el dominio del tiempo. Para reducir el coste computacional, es posible efectuar el filtrado en el dominio de la frecuencia mediante FFT, pero a expensas de aumentar la latencia hasta extremos no admisibles en aplicaciones en las que retardos de más de 10 milisegundos son molestos para los músicos u oradores (S. E. Olive, F. E. Toole, "The detection of reflections in typical rooms", J. Audio Eng. Soc. 37 (7/8), 1989, 539-553).With a sampling frequency of 48 kHz, for an order of 100 a resolution of 480 Hz is obtained, for 250 it you get 192 Hz, for 500 you get 96 Hz, and for 1000 you get 48 Hz. These resolutions are sufficient for equalization of speakers at high frequencies, but not for low frequencies in the that resolutions of up to 5 Hz or even lower are required in the equalization and subwoofer placement. It would be necessary to design linear FIR filters of orders over 10,000 to get this resolution, with the immense computational cost that it required if implemented in the time domain. To reduce the computational cost, it is possible to filter in the domain of the frequency using FFT, but at the expense of increasing the latency to inadmissible extremes in applications where delays of more than 10 milliseconds are annoying for musicians or speakers (S. E. Olive, F. E. Toole, "The detection of reflections in typical rooms ", J. Audio Eng. Soc. 37 (7/8), 1989, 539-553).

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Desde un punto de vista subjetivo y psico-acústico, el tratamiento lineal del eje de frecuencias de los filtros FIR lineales no es una buena elección, debido a que el oído humano se comporta de modo logarítmico, tanto sobre el eje de frecuencias como sobre el eje de magnitudes. Hablando subjetivamente, la distancia espectral (diferencia entre la respuesta objetivo y la respuesta filtrada del altavoz) entre 1 kHz y 2 kHz tiene un significado similar a una entre 10 kHz y 20 kHz. Teniendo en cuenta este comportamiento, se han desarrollado escalas psico-acústicas como la Bark y ERB (M. Karjalainen, E. Piirilä, A. Järvinen y J. Huopaniemi. "Comparison of loudspeaker equalization methods based on DSP techniques", J. Audio Eng. Soc. 47 (1/2), 1999, 14-31), y para frecuencias por encima de 500 Hz su comportamiento es más similar a una curva logarítmica que a una curva lineal. Para medir la distancia espectral psico-acústicamente y evaluar subjetivamente la calidad de la ecualización, se ha definido un estimador e_{log-dB} (G. Ramos, J. J. López, "Filter design method for loudspeaker equalization base don IIR parametric filtres", J. Audio Eng. Soc. 54 (12), 2006, 1162-1178). Se discretiza el eje de frecuencias logarítmicamente para formar el vector \omega_{log} (ecuación 2), que tiene una resolución de 1/48 de octava, obteniéndose 576 frecuencias entre 5 Hz y 20 kHz, lo que es suficiente para la ecualización.From a subjective and psycho-acoustic point of view, linear treatment of the frequency axis of linear FIR filters is not a good choice, because the human ear behaves logarithmically, both on the frequency axis and on the frequency axis. axis of magnitudes. Subjectively speaking, the spectral distance (difference between the objective response and the filtered response of the speaker) between 1 kHz and 2 kHz has a meaning similar to one between 10 kHz and 20 kHz. Given this behavior, psycho-acoustic scales such as Bark and ERB have been developed (M. Karjalainen, E. Piirilä, A. Järvinen and J. Huopaniemi. "Comparison of loudspeaker equalization methods based on DSP techniques", J. Audio Eng. Soc. 47 (1/2), 1999, 14-31), and for frequencies above 500 Hz its behavior is more similar to a logarithmic curve than to a linear curve. To measure the psycho-acoustically spectral distance and subjectively evaluate the quality of the equalization, an e log-dB estimator has been defined (G. Ramos, JJ López, "Filter design method for loudspeaker equalization base don IIR parametric filtres" , J. Audio Eng. Soc. 54 (12), 2006, 1162-1178). The frequency axis is logarithmically discretized to form the vector \ omega_ {log} (equation 2), which has a resolution of 1/48 octave, obtaining 576 frequencies between 5 Hz and 20 kHz, which is sufficient for equalization.

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El vector de error (ecuación 3) representa la diferencia entre la respuesta objetivo y la respuesta del altavoz filtrado, estando todas las magnitudes evaluadas en dBThe error vector (equation 3) represents the difference between the target response and the speaker response filtered, all quantities being evaluated in dB

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A continuación se muestra la expresión que define el estimador e_{log-dB} (ecuación 4), que representa el error absoluto medio en dB entre la respuesta objetivo y la respuesta real filtrada evaluado sobre un eje de frecuencias logarítmico:Below is the expression that defines the estimator e log-dB (equation 4), which represents the average absolute error in dB between the objective response and the actual filtered response evaluated on a logarithmic frequency axis:

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dondewhere

n_{i}, n_{f} son los índices de \omega_{log} a las frecuencias inicial y final donde se evalúa el error; y n _ {i}, {f} _ n are indices \ omega_ {log} to start and end frequencies where the error is evaluated; Y

\omega_{log} [k] representa el elemento k del vector \omega_{log}.\ omega_ {log} [ k ] represents the element k of the vector \ omega_ {log}.

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La Figura 2 muestra las respuestas del error de acuerdo con la definición de la ecuación de arriba para los filtros FIR lineales mostrados en la figura 1, escalados también a 10 dB por claridad. A la derecha de cada curva, se muestra el valor medido de e_{log-dB}. La curva superior es la diferencia entre la respuesta objetivo y la respuesta del altavoz original sin filtrar. El error medio sin filtrar e_{log-dB} es 3,09 dB. Con un filtro FIR lineal de orden 100 (la segunda curva), el error para las altas frecuencias por encima de 5 kHz es muy pequeño, pero a bajas frecuencias el error llega hasta 12 dB a 40 Hz. El valor de e_{log-dB} baja hasta 2,02 dB. Con orden 250, la ecualización es excelente para frecuencias por encima de 2 kHz, pero a 40 Hz el error todavía alcanza 8 dB, obteniéndose un valor del error e_{log-dB} de 1,06 dB. Con un orden de 500, e_{log-dB} baja hasta los 0,42 dB, obteniéndose una ecualización perfecta entre 400 Hz y 20 kHz. Finalmente, con un orden 1000, e_{log-dB} disminuye hasta 0,23 dB, existiendo un error residual en la respuesta a bajas frecuencias que alcanza un máximo de 1,95 dB. El problema de los filtros FIR lineales consistente en la pobre ecualización de las frecuencias bajas se observa claramente en las respuestas del error. Estudios psico-acústicos acerca de la percepción (F. E. Toole, S. E. Olive, "The modification of timpre by resonantes: perception and measurement", J. Audio Eng. Soc. 36 (3), 1988, 122-142) han determinado que un error menor de 1 dB a partir de la respuesta objetivo no es detectable por la mayoría de los humanos al escuchar música o voces. En este ejemplo, incluso con un orden 1000, no se alcanza una desviación del objetivo menor de 1 dB.Figure 2 shows the error responses according to the definition of the equation above for the linear FIR filters shown in Figure 1, also scaled to 10 dB for clarity. To the right of each curve, the measured value of e log-dB is shown. The upper curve is the difference between the target response and the original unfiltered speaker response. The average error unfiltered ei {log-dB 3.09 dB} is. With a linear FIR filter of order 100 (the second curve), the error for high frequencies above 5 kHz is very small, but at low frequencies the error reaches up to 12 dB at 40 Hz. The e log value -dB} low to 2.02 dB. With order 250, the equalization is excellent for frequencies above 2 kHz, but at 40 Hz the error still reaches 8 dB, obtaining an error value e log-dB of 1.06 dB. With an order of 500, e log-dB falls to 0.42 dB, obtaining a perfect equalization between 400 Hz and 20 kHz. Finally, with an order 1000, e log-dB decreases to 0.23 dB, there is a residual error in the response at low frequencies that reaches a maximum of 1.95 dB. The problem of linear FIR filters consisting of poor equalization of low frequencies is clearly seen in the error responses. Psycho-acoustic studies on perception (FE Toole, SE Olive, "The modification of timpre by resonantes: perception and measurement", J. Audio Eng. Soc. 36 (3), 1988, 122-142) have determined that a Error less than 1 dB from the target response is not detectable by most humans when listening to music or voices. In this example, even with a 1000 order, a target deviation of less than 1 dB is not achieved.

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Filtros digitales FIR deformadosDeformed FIR digital filters

Los filtros digitales deformados se consiguen al reemplazar los elementos de retardo en la estructura de un filtro digital por filtros paso-todo de primer orden. Oppenheim et al. (A. V. Oppenheim, D. H. Jonson, y K. Steiglitz, "Computation of spectra with unequal resolution using the fase Fourier transform", Proc. IEEE, 89 (1971) 299-301) propuso por primera vez la posibilidad de obtener una resolución en frecuencia no uniforme con la transformada de Fourier. En los filtros digitales, el uso de filtros paso-todo en lugar de los elementos de retardo fue propuesto por primera vez por Strube (H. W. Strube, "Linear prediction on a warped frequency scale", J. Acoustic. Soc. America, 68 (4), 1980, 1071-1076). El filtro paso-todo de primer orden se define mediante la ecuación (5):Deformed digital filters are achieved by replacing the delay elements in the structure of a digital filter with first-order step-all filters. Oppenheim et al . (AV Oppenheim, DH Jonson, and K. Steiglitz, "Computation of spectra with unequal resolution using the Fourier transform phase", Proc. IEEE, 89 (1971) 299-301) proposed for the first time the possibility of obtaining a frequency resolution not uniform with the Fourier transform. In digital filters, the use of step-all filters instead of delay elements was first proposed by Strube (HW Strube, "Linear prediction on a warped frequency scale", J. Acoustic. Soc. America, 68 ( 4), 1980, 1071-1076). The first-order step-all filter is defined by equation (5):

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donde \lambda es el parámetro de deformación.where \ lambda is the parameter of deformation.

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La estructura de un filtro FIR deformado se muestra en la figura 3, mientras que la figura 4 muestra la estructura de filtro FIR deformado propuesta por Karjalainen que ahorra memoria y operaciones (M. Karjalainen, E. Piirilä, A. Järvinen y J. Huopaniemi. "Comparison of loudspeaker equalization methods based on DSP techniques", J. Audio Eng. Soc. 47 (1/2), 1999, 14-31). La función de transferencia de un filtro FIR deformado es:The structure of a deformed FIR filter is shown in figure 3, while figure 4 shows the FIR deformed filter structure proposed by Karjalainen that saves memory and operations (M. Karjalainen, E. Piirilä, A. Järvinen and J. Huopaniemi. "Comparison of loudspeaker equalization methods based on DSP techniques ", J. Audio Eng. Soc. 47 (1/2), 1999, 14-31). The transfer function of a FIR warped filter is:

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El filtrado deformado no es un método para diseñar filtros, sino una estructura que produce el efecto de deformar el eje de frecuencias. El filtro se podría diseñar utilizando cualquiera de los métodos de diseño de filtros conocidos.Deformed filtering is not a method for design filters, but a structure that produces the effect of warp the frequency axis. The filter could be designed using any of the filter design methods known.

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La sustitución de z^{-1} por A(z) genera la deformación del eje de frecuencias, que es una función de la respuesta en fase de A(z). Para una frecuencia de muestreo f_{s} dada, el nuevo eje de frecuencias después de la deformación es:The substitution of z <-1> with A (z) generates the deformation of the frequency axis, which is a function of the phase response of A (z). For a sampling frequency f_ {s} given, the new frequency axis after deformation is:

1212

La figura 5 muestra la gráfica de correlación entre frecuencias debido al efecto de la deformación. Para valores positivos de 0<\lambda<1, el eje de frecuencias está comprimido hacia las altas frecuencias, y para valores negativos -1<\lambda<0, está comprimido hacia las frecuencias bajas.Figure 5 shows the correlation graph between frequencies due to the effect of deformation. For values positive of 0 <\ lambda <1, the frequency axis is compressed to high frequencies, and for negative values -1 <\ lambda <0, is compressed towards the frequencies low.

Para contrarrestar la falta de resolución a bajas frecuencias de filtros FIR lineales, se han empleado filtros deformados para la ecualización de altavoces con valores positivos de \lambda para desplazar hacia arriba las altas frecuencias y conseguir así una mejor resolución. Karjalainen propuso su utilización con filtros FIR y IIR (M. Karjalainen, A. Härmä, Ul, K. Laine, "Realizable warped IIR filtres and their properties", Proceedings of ICASSP 97, 1997, 2205-2208), presentando una estructura IIR realizable, así como Härmä (A. Härmä, "Implementation of frequency-warped recursive filtres", Elsevier Signal Processing, 80 (3), 2000, 543-548). Recientemente, también se ha propuesto el uso de filtros Kautz (que se pueden interpretar como una generalización de los filtros deformados) para la ecualización de altavoces (M. Karjalainen, T. Paatero, "Equalization of loudspeaker and room responses using kautz filtres: direct least squares design", AURASIP Journal on advances in signal processing, 2007, nº 60949). También Tyril menciona el uso de filtros para la ecualización a bajas frecuencias (M. Tyril, J. A. Pedersen y P. Rubak, "Digital filtres for low-frequency equalization", J. Audio Eng. Soc. 29 (1/2), 2001, 36-43).To counteract the lack of resolution to low frequencies of linear FIR filters, filters have been used deformed for speaker equalization with positive values of λ to shift the high frequencies up and get a better resolution. Karjalainen proposed his use with FIR and IIR filters (M. Karjalainen, A. Härmä, Ul, K. Laine, "Realizable warped IIR filtres and their properties", Proceedings of ICASSP 97, 1997, 2205-2208), presenting a workable IIR structure, as well as Härmä (A. Härmä, "Implementation of frequency-warped recursive filtres ", Elsevier Signal Processing, 80 (3), 2000, 543-548). Recently, the use of Kautz filters (which can be interpreted as a generalization of deformed filters) for equalization of speakers (M. Karjalainen, T. Paatero, "Equalization of loudspeaker and room responses using kautz filtres: direct least squares design ", AURASIP Journal on advances in signal processing, 2007, no. 60949). Tyril also mentions the use of filters for equalization at low frequencies (M. Tyril, J. A. Pedersen and P. Rubak, "Digital filtres for low-frequency equalization ", J. Audio Eng. Soc. 29 (1/2), 2001, 36-43).

La resolución en frecuencia que se obtiene con los filtros FIR deformados se obtiene como la resolución del filtro FIR lineal equivalente multiplicada por la derivada de f_{warp} con respecto de la frecuencia, como muestra la siguiente ecuación:The resolution in frequency that is obtained with deformed FIR filters are obtained as the filter resolution Linear FIR equivalent multiplied by the derivative of f_ {warp} regarding the frequency, as the following shows equation:

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La figura 6 muestra la resolución en frecuencia deformada relativa contra la resolución lineal en frecuencia. Para valores de \lambda positivos, la resolución en frecuencia aumenta a bajas frecuencias, pero disminuye a frecuencias altas. Para valores de \lambda negativos se produce el efecto opuesto. Al aumentar el valor de \lambda acercándose a 1, se obtiene una mejora de la resolución a bajas frecuencias, pero la pérdida de resolución a altas frecuencias comienza muy pronto y va empeorando. La frecuencia donde la resolución de la escala deformada es igual que la de la escala lineal es la frecuencia de cruce, f_{tp}, y su valor se obtiene mediante la ecuación 9. Smith y Abel desarrollaron una expresión para determinar el valor \lambda que mejor aproxima las escalas psicoacústicas de Bark y ERB (J. O. Smith, J. S. Abel, "Bark and ERB bilinear transform, IEEE", Tras. Speech Audio Processing, 7,1999, 697-708).Figure 6 shows the resolution in frequency relative deformation against linear frequency resolution. For positive λ values, the resolution in frequency increases at low frequencies, but decreases at high frequencies. For negative λ values the opposite effect occurs. To the increase the value of λ approaching 1, you get a Improved resolution at low frequencies, but loss of Resolution at high frequencies begins very soon and is getting worse. The frequency where the resolution of the deformed scale is equal that the linear scale is the crossover frequency, f_ {tp}, and its value is obtained by equation 9. Smith and Abel developed an expression to determine the λ value that best approximates the psychoacoustic scales of Bark and ERB (J. O. Smith, J. S. Abel, "Bark and ERB bilinear transform, IEEE", Tras. Speech Audio Processing, 7.1999, 697-708).

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Como se puede observar en la figura 3, los filtros FIR deformados requieren un mayor coste computacional con respecto de un filtro FIR lineal del mismo orden. Dependiendo de la arquitectura del DSP o microprocesador empleado, su coste computacional aumenta un factor entre 3 y 4 con respecto de un filtro FIR lineal. Sin embargo, los filtros FIR deformados pueden reducir el orden del filtro un factor de hasta 5, y por lo tanto su uso podría ser eficiente desde un punto de vista computacional. Suponiendo únicamente un factor de penalización de 3, se han efectuado las mismas ecualizaciones de los filtros FIR lineales de la figura 1, pero esta vez en filtros FIR deformados de un orden un tercio menor que el de los filtros FIR lineales para mantener el mismo coste computacional. En este caso, se ha empleado un valor de \lambda de 0,766 para conseguir una resolución cercana a la escala Bark. Las ecualizaciones se muestran en la figura 7 escaladas diez dB por claridad, y las respuestas del error y el valor e_{log-dB} se muestran en la figura 8. Con un orden de 33, el filtro FIR deformado consigue un valor del error e_{log-dB} de 1,29 dB, mejor que el de 2,02 dB obtenido con el filtro FIR lineal de orden 100. Aunque la ecualización a altas frecuencias es claramente peor debido a la reducción en resolución, la ecualización a frecuencias bajas y medias es mejor, ya que se puede observar en las curvas de error de las figuras 2 y 8. El error baja hasta los 0,77 dB con un orden 83, en lugar del 1,06 dB obtenidos con el filtro FIR de orden 250. El error está dentro de la banda \pm1 dB desde 200 Hz hasta 20 kHz. Para un orden de 167, el valor e_{log-dB} es sólo de 0,12 dB, incluso mejor que la ecualización conseguida con el filtro FIR lineal de orden 1000 (0,23 dB). Finalmente, con un orden de 333, el resultado es excelente, con un error residual de sólo 0,03 dB. Para el valor \lambda seleccionado, se obtiene la máxima resolución del filtro FIR deformado alrededor de 2 kHz, empeorando para frecuencias inferiores y superiores.As can be seen in Figure 3, deformed FIR filters require a higher computational cost with respect to a linear FIR filter of the same order. Depending on the architecture of the DSP or microprocessor used, its computational cost increases by a factor between 3 and 4 with respect to a linear FIR filter. However, deformed FIR filters can reduce the order of the filter by a factor of up to 5, and therefore their use could be efficient from a computational point of view. Assuming only a penalty factor of 3, the same equalizations of the linear FIR filters of Figure 1 have been made, but this time in warped FIR filters of an order one third lower than that of the linear FIR filters to maintain the same cost computational In this case, a λ value of 0.766 has been used to achieve a resolution close to the Bark scale. The equalizations are shown in Figure 7 scaled ten dB for clarity, and the error responses and the e -log-dB value are shown in Figure 8. With an order of 33, the distorted FIR filter achieves a value of 1.29 dB error e log-dB, better than the 2.02 dB obtained with the linear FIR filter of order 100. Although the equalization at high frequencies is clearly worse due to the reduction in resolution, the equalization at low and medium frequencies it is better, since it can be seen in the error curves of Figures 2 and 8. The error goes down to 0.77 dB with an order 83, instead of the 1.06 dB obtained with the filter FIR of order 250. The error is within the band ± 1 dB from 200 Hz to 20 kHz. For an order of 167, the e log-dB value is only 0.12 dB, even better than the equalization achieved with the linear FIR filter of order 1000 (0.23 dB). Finally, with an order of 333, the result is excellent, with a residual error of only 0.03 dB. For the value λ selected, the maximum resolution of the distorted FIR filter around 2 kHz is obtained, worsening for lower and higher frequencies.

Con esta comparación, está claro que el uso de filtros deformados para la ecualización de altavoces puede ser computacionalmente eficiente, expandiendo la resolución del filtro diseñado teniendo en cuenta aspectos psico-acústicos del oído humano. Por el mismo coste computacional, se podrían conseguir mejores ecualizaciones con el uso de estructuras deformadas, o se necesitaría un menos coste computacional para la misma calidad de la ecualización.With this comparison, it is clear that the use of warped filters for speaker equalization can be computationally efficient, expanding filter resolution designed taking into account psycho-acoustic aspects of the human ear For the same computational cost, they could achieve better equalizations with the use of structures deformed, or less computational cost would be needed for the Same quality of equalization.

Así, tras el análisis de los resultados mostrados en los párrafos anteriores, en el presente ejemplo se combinan filtros FIR lineales con filtros FIR deformados, como se muestra en las figuras 9 y 10. En la figura 10 se muestra una combinación en paralelo de varios filtros digitales FIR deformados con un filtro lineal. En este ejemplo se analizará únicamente la estructura en cascada de la figura 9, en concreto para filtros FIR, aunque los resultados son también válidos para filtros IIR. El filtro de ecualización de la figura 9 se obtiene de combinar en cascada uno o varios filtros FIR deformados de orden N_{Wi} y parámetro de deformación \lambda_{i} con un filtro FIR lineal de orden N. El filtro FIR lineal ecualizará las frecuencias altas y medias, mientras que los filtros FIR deformados ecualizarán las frecuencias medias y bajas. Para conseguir esto, se debe realizar una selección correcta de los valores de \lambda_{i} para maximizar la resolución del filtro combinado en toda la banda de frecuencias. En el caso más simple de utilizar sólo un filtro deformado, el orden equivalente del filtro N_{MAC} (en términos de coste computacional o MACS) se podría aproximar como:Thus, after the analysis of the results shown in the previous paragraphs, in the present example combine linear FIR filters with deformed FIR filters, as shown in figures 9 and 10. Figure 10 shows a parallel combination of several deformed FIR digital filters With a linear filter. In this example, only the cascade structure of figure 9, specifically for FIR filters, although the results are also valid for IIR filters. He equalization filter of figure 9 is obtained by combining in cascade one or more deformed FIR filters of order N_ {Wi} and deformation parameter \ lambda_ {i} with a linear FIR filter of order N. The linear FIR filter will equalize the high frequencies and averages, while deformed FIR filters will equalize the medium and low frequencies. To achieve this, you must perform a correct selection of the values of \ lambda_ {i} for maximize the resolution of the combined filter across the entire band of frequencies In the simplest case of using only one filter deformed, the equivalent order of the N_ {MAC} filter (in terms of computational cost or MACS) could be approximated as:

15fifteen

donde se ha tomado un factor de penalización de 3 para el filtro FIR deformado. Para reducir el coste computacional del filtro, el orden del filtro FIR deformado debe ser lo más bajo posible, ya que requiere tres veces el número de MACS que el filtro FIR lineal.where a factor of 3 penalty for the deformed FIR filter. To reduce the computational cost of the filter, the order of the warped FIR filter should be as low as possible, since it requires three times the number MACS than the FIR filter linear.

La resolución en frecuencia del filtro propuesto H_{filtro}(z) será una combinación de la resolución lineal del filtro FIR lineal H_{FIR}(z) y la resolución no lineal del filtro FIR deformado H_{WFIR}(z). La figura 11 muestra la resolución en frecuencia de filtros FIR lineales y deformados en términos del valor Q correspondiente. Este valor Q se define como el cociente entre la frecuencia a considerar y la resolución en frecuencia del filtro a esa frecuencia:The frequency resolution of the proposed filter H_ {filter} (z) will be a combination of linear resolution of the linear FIR filter H_ {FIR} (z) and the non-linear resolution of the deformed FIR filter H_ {WFIR} (z). Figure 11 shows the frequency resolution of linear and deformed FIR filters in terms of the corresponding Q value. This Q value is defined as the quotient between the frequency to consider and the resolution in filter frequency at that frequency:

1616

Así, para los filtros digitales FIR lineal (ecuación 12) y deformado (ecuación 13), el valor de la resolución Q se obtiene:Thus, for linear FIR digital filters (equation 12) and deformed (equation 13), the value of resolution Q is obtained:

1717

En la figura 12 se muestra otra representación de la resolución, esta vez en términos del ancho de banda de la resolución en octavas (BW_{oct}). El ancho de banda en octavas se relaciona con Q a través de la siguiente expresión (ecuación 14), válida para valores de Q altos:Figure 12 shows another representation of the resolution, this time in terms of the bandwidth of the resolution in octaves (BW_ {oct}). The bandwidth in octaves is relate to Q through the following expression (equation 14), valid for high Q values:

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Las figuras 11 y 13 se evalúan en un eje logarítmico, tanto en abscisas como en ordenadas. De este modo, la medida obtenida tendrá en cuenta el comportamiento natural del oído humano y servirá para juzgar la resolución en frecuencia de los filtros desde un punto de vista psico-acústico.Figures 11 and 13 are evaluated on an axis Logarithmic, both abscissa and ordinate. In this way, the measure obtained will take into account the natural behavior of the ear human and will serve to judge the resolution in frequency of the filters from a psycho-acoustic point of view.

La resolución del filtro FIR lineal, como se muestra en la figura 12, es constante con un ancho de banda de 100 Hz que corresponde a un orden de filtro de 480 cuando se utiliza una frecuencia de muestreo de f_{s}=48 kHz. La resolución del filtro FIR deformado corresponde a un filtro deformado de orden 480. Estas resoluciones también se comparan con una resolución constante de un tercio de octava, y con la resolución en frecuencia de la escala Bark. Desde un punto de vista psico-acústico, la comparación de la resolución de filtros deformados con la escala Bark es interesante, ya que sigue el ancho de banda de la resolución del sistema auditivo humano utilizando el concepto de bandas críticas (J. O. Smith, J. S. Abel, "Bark and ERB bilinear transform, IEEE", Tras. Speech Audio Processing, 7, 1999, 697-708).The resolution of the linear FIR filter, as shown in figure 12, is constant with a bandwidth of 100 Hz corresponding to a filter order of 480 when using a sampling rate of f_ {s} = 48 kHz. Filter resolution Deformed FIR corresponds to a distorted filter of order 480. These resolutions are also compared with a constant resolution of a third octave, and with the resolution in frequency of the scale Bark From a psycho-acoustic point of view, the comparison of the resolution of deformed filters with the scale Bark is interesting, since it follows the resolution bandwidth of the human auditory system using the concept of bands critics (J. O. Smith, J. S. Abel, "Bark and ERB bilinear transform, IEEE ", Tras. Speech Audio Processing, 7, 1999, 697-708).

Para el filtro FIR lineal, el valor de resolución Q (y su resolución logarítmica) aumenta con la frecuencia, como se observa en las figuras 11 y 12 para el caso lineal. Las líneas discontinuas delgadas representan la resolución de una escala de un tercio de octava, que es constante con la frecuencia. Su valor de resolución Q es 4,32, y su valor de octava es obviamente un 0,333. Es aproximadamente la resolución obtenida con un ecualizador gráfico de un tercio de octava que, para frecuencias por debajo de 430 Hz, es incluso mejor que el que se obtiene con el filtro FIR lineal de orden 480. Las líneas discontinuas de puntos son las resoluciones de la escala Bark calculada a partir de las frecuencias publicadas. Hasta 500 Hz, su resolución es constante e igual a 100 Hz, como el filtro FIR del ejemplo. Por encima de 500 Hz su comportamiento es más logarítmico, similar al de un tercio de octava, llegando hasta una resolución máxima cercana a un quinto de octava (Q=6,3) a 2 kHz.For the linear FIR filter, the value of Q resolution (and its logarithmic resolution) increases with the frequency, as seen in figures 11 and 12 for that matter linear. Thin dashed lines represent resolution of a one-third octave scale, which is consistent with the frequency. Its resolution value Q is 4.32, and its octave value It is obviously a 0.333. It is approximately the resolution obtained with a graphic equalizer of a third octave which, for frequencies below 430 Hz, it is even better than the one you get with the linear FIR filter of order 480. The lines dashed points are the resolutions of the Bark scale calculated from published frequencies. Up to 500 Hz, its resolution is constant and equal to 100 Hz, as the FIR filter of the example. Above 500 Hz its behavior is more logarithmic, similar to a third octave, reaching a resolution maximum close to a fifth octave (Q = 6.3) at 2 kHz.

La línea continua gruesa representa la resolución en frecuencia del filtro FIR deformado de orden 480 con un valor \lambda de 0,76 que corresponde al valor que mejor se ajusta a la escala Bark (para f_{s}=48 kHz), y es el que se utiliza en las ecualizaciones del filtro FIR deformado de la figura 7. Se deduce la forma de la escala Bark (con mejor resolución), con un valor de resolución Q máximo cercano a 2 kHz, como se muestra en las figuras 7 y 8. Finalmente, la línea discontinua gruesa representa la resolución del mismo filtro FIR deformado de orden 480 pero con \lambda=0,95. Para ambos filtros deformados, el Q máximo es el mismo, pero la frecuencia con mayor resolución disminuye desde 2 kHz (\lambda=0,76) hasta 350 Hz (\lambda=0,95). También, la resolución a bajas frecuencias se ha multiplicado por 4,5 en el segundo caso, el mismo factor según el cual ha disminuido la resolución a altas frecuencias.The thick continuous line represents the frequency resolution of the distorted FIR filter of order 480 with a λ value of 0.76 corresponding to the value that best suits adjusts to the Bark scale (for f_ {s} = 48 kHz), and is the one that used in the equalizations of the deformed FIR filter of the figure 7. The shape of the Bark scale (with better resolution) is deduced, with a maximum Q resolution value close to 2 kHz, as shown in Figures 7 and 8. Finally, the thick dashed line represents the resolution of the same distorted FIR filter of order 480 but with λ = 0.95. For both deformed filters, the maximum Q is the same, but the frequency with higher resolution decreases from 2 kHz (λ = 0.76) up to 350 Hz (λ = 0.95). Also, the resolution at low frequencies has been multiplied by 4.5 in the second case, the same factor according to which the resolution at high frequencies.

Los dos gráficos de las figuras 11 y 12 demuestran que con una selección adecuada del valor \lambda es posible seleccionar la banda de frecuencias donde el filtro FIR deformado consigue la mejor resolución. En otras palabras, es posible ajustar la resolución del filtro. En la estructura de filtro propuesta en la presente solicitud de patente para la ecualización de altavoces, el uso de filtros digitales FIR deformados de órdenes bajos es efectivo para reducir el coste computacional, con valores de \lambda mayores de 0,9 para conseguir resolución a bajas frecuencias.The two graphs of figures 11 and 12 demonstrate that with an appropriate selection of the value λ is possible to select the frequency band where the FIR filter Deformed gets the best resolution. In other words, it is possible to adjust the resolution of the filter. In the filter structure proposed in this patent application for equalization of loudspeakers, the use of warped FIR digital filters of orders low is effective to reduce the computational cost, with values of λ greater than 0.9 to achieve resolution at low frequencies

Para comprender mejor el efecto de la variación del parámetro \lambda, se muestra a continuación un ejemplo. El altavoz utilizado previamente se ha ecualizado con dos filtros de orden N_{W}=33 y valores \lambda de 0,76 y 0,95. Se muestran sus resultados en la figura 13. Como se ha mencionado anteriormente, con \lambda=0,76 la máxima resolución del filtro es de aproximadamente 2 kHz, obteniéndose una pobre ecualización a frecuencias bajas y altas. Cuando se emplea \lambda=0,95 (centrado en -10 dB por claridad), la ecualización de las bajas frecuencias se mejora a expensas de empeorar la ecualización de las frecuencias altas. La máxima resolución del filtro es ahora de alrededor de 350 Hz, obteniéndose un error menor de 1 dB para 20 Hz hasta 1,5 kHz con un orden de sólo 33, lo que equivale a un coste computacional equivalente a un filtro FIR lineal de orden 100. Las respuestas del error de las dos ecualizaciones se muestran en la figura 14, donde se puede apreciar cómo la máxima resolución de los filtros cambia con los dos valores de \lambda.To better understand the effect of variation of the \ lambda parameter, an example is shown below. He previously used speaker has been equalized with two filters order N_ {W} = 33 and λ values of 0.76 and 0.95. Your results in figure 13. As mentioned above, with λ = 0.76 the maximum resolution of the filter is approximately 2 kHz, obtaining a poor equalization at low frequencies and high. When λ = 0.95 is used (centered at -10 dB per clarity), low frequency equalization is improved to at the expense of worsening the equalization of high frequencies. The Maximum filter resolution is now around 350 Hz, obtaining an error of less than 1 dB for 20 Hz up to 1.5 kHz with a order of only 33, which equals a computational cost equivalent to a linear FIR filter of order 100. The responses of error of the two equalizations are shown in figure 14, where you can see how the maximum resolution of the filters changes with the two values of λ.

Para facilitar la selección del valor \lambda adecuado, se representa la frecuencia de la máxima resolución Q como una función de \lambda para diferentes frecuencias de muestreo: 44,1, 48, 88,2 y 96 kHz. Las gráficas de la figura 15 muestran esos resultados entre 20 Hz y 6 kHz para valores \lambda desde 0,7 hasta 1. La curva más a la izquierda corresponde a una f_{s} de 44,1 kHz, y la de más a la derecha a 96 kHz. Con estos gráficos, es fácil elegir el valor de \lambda para ajustar en frecuencia el esfuerzo del filtro FIR deformado.To facilitate the selection of the value \ lambda suitable, the frequency of the maximum resolution Q is represented as a function of λ for different sampling frequencies: 44.1, 48, 88.2 and 96 kHz. The graphs in figure 15 show those results between 20 Hz and 6 kHz for λ values from 0.7 up to 1. The leftmost curve corresponds to an f_ {s} of 44.1 kHz, and the rightmost at 96 kHz. With these graphics, it is easy to choose the value of \ lambda to adjust the frequency FIR filter strain deformed.

La selección de los tres parámetros (orden N del filtro FIR lineal, orden N_{W} del filtro FIR deformado y valor \lambda para el filtro FIR deformado) para la ecualización específica de un filtro se debe basar en un compromiso entre la demanda de ecualización a bajas frecuencias (para la selección de N_{W} y \lambda), y a medias y altas frecuencias (para N).The selection of the three parameters (order N of linear FIR filter, order N_ {W} of the deformed FIR filter and value λ for the distorted FIR filter) for equalization specific to a filter should be based on a compromise between the low frequency equalization demand (for the selection of N_ {W} and λ), and at medium and high frequencies (for N).

De acuerdo con todo lo anterior, el diseño del filtro de ecualización propuesto requiere el diseño conjunto del filtro FIR lineal de orden N y del filtro FIR deformado de orden N_{W} y parámetro de deformación \lambda. Para mantener el requerimiento de bajo coste computacional, el orden del filtro deformado debe ser lo más bajo posible.In accordance with all of the above, the design of the proposed equalization filter requires the joint design of the FIR linear order filter N and deformed order FIR filter N_ {W} and deformation parameter λ. To keep the low computational cost requirement, the order of the filter Deformed should be as low as possible.

Así, para el diseño de un filtro en cascada en el que un filtro FIR lineal sigue a un filtro FIR deformado, en primer lugar se diseña el filtro FIR deformado. Esta etapa se centra en ecualizar las frecuencias bajas a través de una selección adecuada del parámetro \lambda. Esta selección depende de dos factores: la frecuencia más baja a corregir (subwoofers) y el orden del filtro de la segunda etapa (el filtro FIR lineal), que condiciona su resolución a baja frecuencia y, por tanto, el punto de enlace entre ambos filtros.Thus, for the design of a cascade filter in which a linear FIR filter follows a deformed FIR filter, in First, the deformed FIR filter is designed. This stage is centered in equalizing the low frequencies through a selection suitable parameter \ lambda. This selection depends on two factors: the lowest frequency to be corrected (subwoofers) and the order of the second stage filter (the linear FIR filter), which determines its resolution at low frequency and, therefore, the point of link between both filters.

En segundo lugar, se diseña el filtro FIR lineal a partir de la respuesta del altavoz filtrada por la primera etapa. Esta segunda etapa corregirá la respuesta del filtro FIR deformado de la primera etapa fundamentalmente en las altas frecuencias. Este filtro FIR lineal no tiene que corregir las frecuencias bajas debido a que ya han sido corregidas previamente por el filtro FIR deformado.Second, the linear FIR filter is designed from the response of the speaker filtered by the first stage. This second stage will correct the response of the deformed FIR filter of the first stage mainly at high frequencies. This linear FIR filter does not have to correct low frequencies because which have already been previously corrected by the FIR filter deformed.

El orden de los dos filtros se relaciona con la precisión requerida en la ecualización y está condicionado por el coste computacional disponible. La figura 13 muestra los resultados que se pueden conseguir en el altavoz del ejemplo utilizando un FIR deformado. Utilizando N_{W}=33 y \lambda=0,95 es posible conseguir un error de menos de 1 dB hasta 1,5 kHz. En la Figura 2 se muestra que también es posible conseguir un error por debajo de 1 dB en las altas frecuencias (1,5 kHz hasta 20 kHz) con un filtro FIR lineal de orden N entre 100 y 150. De acuerdo con la ecuación anterior, se obtendrá como resultado un filtro de orden equivalente N_{MAC} de 200 a 250, con un error de ecualización residual menor de 1 dB en toda la banda de frecuencias de audio. Para conseguir este nivel de ecualización, se necesita un filtro FIR lineal de más de un orden mayor de 1000, como se desprende de la figura 2. Si se utiliza un filtro FIR deformado, se necesita un orden N_{W}=167 (N_{MAC}=500), como se observa en la figura 8. Por tanto, se puede ahorrar coste computacional utilizando la topología propuesta, en comparación con las topologías existentes que utilizan sólo filtros FIR lineales o filtros FIR deformados.The order of the two filters is related to the precision required in equalization and is conditioned by the computational cost available. Figure 13 shows the results that can be achieved in the example speaker using a FIR deformed. Using N_ {W} = 33 and λ = 0.95 it is possible achieve an error of less than 1 dB up to 1.5 kHz. Figure 2 shows shows that it is also possible to get an error below 1 dB at high frequencies (1.5 kHz to 20 kHz) with a FIR filter linear order N between 100 and 150. According to the equation above, an equivalent order filter will be obtained N_ {MAC} from 200 to 250, with a minor residual equalization error 1 dB in the entire audio frequency band. To obtain this level of equalization, a linear FIR filter of more is needed of an order greater than 1000, as shown in figure 2. If use a deformed FIR filter, an order N_ {W} = 167 is required (N_ {MAC} = 500), as seen in Figure 8. Therefore, you can save computational cost using the proposed topology, in comparison with existing topologies that use filters only FIR linear or deformed FIR filters.

Por ejemplo, se desea ecualizar el altavoz cuya salida se muestra en la figura 16 sobre la línea de 0 dB. Se representa también sobre el nivel 0 dB la respuesta en frecuencia objetivo H_{objetivo}(\omega). La respuesta del error original se representa en la figura 17, siendo el error inicial e_{log-dB} de 3,09 dB. Su error máximo es de 12 dB a 40 Hz y tiene varios picos y valles de más de 4 dB por toda la banda de frecuencias de audio. Los resultados de las ecualizaciones se muestran en la figura 16, y las gráficas de error y los valores de e_{log-dB} se muestran en la figura 17.For example, you want to equalize the speaker whose output is shown in Figure 16 on the 0 dB line. The target frequency response H_ {target} (\ omega) is also represented on the 0 dB level. The response of the original error is represented in Figure 17, with the initial error e log-dB being 3.09 dB. Its maximum error is 12 dB at 40 Hz and it has several peaks and valleys of more than 4 dB throughout the entire audio frequency band. The results of the equalizations are shown in Figure 16, and the error graphs and e -log-dB values are shown in Figure 17.

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Ejemplo 1Example one

Utilizando la estructura propuesta, se diseñará un filtro de un orden equivalente N_{MAC}=250, compuesto de un filtro FIR deformado de orden N_{W}=33 y un filtro FIR de orden N=151. La primera operación en el diseño del filtro propuesto es diseñar el filtro FIR deformado con un valor \lambda seleccionado de forma que se consiga una ecualización suficiente a bajas frecuencias. En este caso, se ha utilizado un valor de \lambda=0,98, que corresponde a una frecuencia con una máxima resolución de 150 Hz cuando se emplea una frecuencia de muestreo f_{s}=0,48, como se puede observar en la figura 15. Con estos valores de N_{W} y \lambda, la ecualización que se consigue es la que se muestra en la figura 16 sobre el nivel de -10 dB, que es bastante buena hasta los 700 Hz (con un orden de sólo N_{W}=33). La curva de error se muestra en la figura 17 y está por debajo de 0,4 dB hasta los 700 Hz, y e_{log-dB} = 0,98 dB. Una vez se ha diseñado el filtro FIR deformado, se diseña el filtro FIR lineal de orden N=151 a partir de la respuesta filtrada por el FIR deformado. La ecualización combinada que se consigue se muestra sobre el nivel de -20 dB en la figura 16, y el error residual en la figura 17, con un valor de error e_{log-dB} = 0,08 dB. El filtro FIR lineal corrige la respuesta a altas frecuencias hasta 2,5 kHz de forma excelente, con una curva de error por debajo de 0,1 dB. Entre 700 Hz y 2,5 kHz, la ecualización es algo peor, pero el error siempre es menor de 0,8 dB. Esta es la banda de frecuencias en la que ni el filtro FIR lineal ni el filtro FIR deformado consiguen una resolución suficiente con los órdenes de filtro seleccionados. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, la ecualización obtenida no será distinguible de otra mejor por la mayoría de usuarios, como se desprende de múltiples experimentos relacionados con el oído humano.Using the proposed structure, a filter of an equivalent order N_ {MAC} = 250 will be designed, composed of a deformed FIR filter of order N_ {W} = 33 and a FIR filter of order N = 151. The first operation in the proposed filter design is to design the deformed FIR filter with a λ value selected so that sufficient equalization is achieved at low frequencies. In this case, a value of λ = 0.98 has been used, which corresponds to a frequency with a maximum resolution of 150 Hz when a sampling frequency f_ {s} = 0.48 is used, as can be seen in Figure 15. With these values of N_ {W} and λ, the equalization achieved is that shown in Figure 16 on the level of -10 dB, which is quite good up to 700 Hz (with an order of only N_ {W} = 33). The error curve is shown in Figure 17 and is below 0.4 dB up to 700 Hz, and e log-dB = 0.98 dB. Once the deformed FIR filter is designed, the linear FIR filter of order N = 151 is designed from the response filtered by the deformed FIR. The combined equalization achieved is shown above the level of -20 dB in Figure 16, and the residual error in Figure 17, with an error value e log-dB = 0.08 dB. The linear FIR filter corrects the response at high frequencies up to 2.5 kHz excellently, with an error curve below 0.1 dB. Between 700 Hz and 2.5 kHz, the equalization is somewhat worse, but the error is always less than 0.8 dB. This is the frequency band in which neither the linear FIR filter nor the deformed FIR filter achieves a sufficient resolution with the selected filter orders. However, from a practical point of view, the equalization obtained will not be distinguishable from a better one by most users, as can be seen from multiple experiments related to the human ear.

Si suponemos que una curva de error por debajo de 1 dB en toda la banda de audio (de 20 Hz a 20 kHz) es aceptable para una ecualización, el orden equivalente del filtro N_{MAC} se podría reducir incluso hasta 100, con N_{W}=11 y N=77. La ecualización obtenida y las respuestas de error se encuentran por encima de las líneas de -30 dB en las figuras 16 y 17, con un e_{log-dB} =0,28 dB. Con el filtro propuesto, es posible conseguir ese grado de ecualización con un coste computacional de sólo 100 MACS, obteniéndose una resolución en frecuencia más uniforme, cuando se evalúa sobre un eje de frecuencias logarítmico, que la obtenida cuando se emplean sólo filtros FIR lineales o filtros FIR deformados.If we assume that an error curve below 1 dB in the entire audio band (from 20 Hz to 20 kHz) is acceptable for equalization, the equivalent order of the N_ {MAC} filter could be reduced even up to 100, with N_ {W} = 11 and N = 77. The equalization obtained and the error responses are above the -30 dB lines in Figures 16 and 17, with an e -log-dB = 0.28 dB. With the proposed filter, it is possible to achieve that level of equalization with a computational cost of only 100 MACS, obtaining a more uniform frequency resolution, when evaluated on a logarithmic frequency axis, than that obtained when using only linear FIR filters or deformed FIR filters.

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Ejemplo 2Example 2

En este ejemplo se ecualiza otro altavoz, compuesto de un woofer de 5 pulgadas y un tweeter de ¾ de pulgada. Su respuesta en frecuencia se muestra con una línea gruesa en la figura 18 sobre el nivel de 0 dB. Se ha elegido la respuesta objetivo que se representa con una línea delgada. La ecualización obtenida con N_{MAC}=250 (N_{W}=33, N=151, \lambda=0,96) se muestra centrada sobre el nivel de -10 dB. La curva de error está siempre por debajo de \pm0,5 dB desde 40 Hz hasta 20 kHz.In this example another speaker is equalized, Composed of a 5-inch woofer and a ¾ inch tweeter. Your frequency response is shown with a thick line in the Figure 18 above the 0 dB level. The answer has been chosen target that is represented with a thin line. Equalization obtained with N_ {MAC} = 250 (N_ {W} = 33, N = 151, λ = 0.96) is Sample centered on the level of -10 dB. The error curve is always below ± 0.5 dB from 40 Hz to 20 kHz.

Comparación Comparison

A continuación se comparan los resultados obtenidos al ecualizar el altavoz del primer ejemplo utilizando el filtro propuesto con los resultados cuando se utiliza un filtro FIR lineal o un filtro FIR deformado por separado. La comparación se lleva a cabo utilizando el mismo coste computacional para los tres filtros, en este caso 250 MAC. En la figura 19 se representan la respuesta en frecuencia del altavoz, la respuesta objetivo y las respuestas después de las ecualizaciones, escaladas de diez en diez dB por claridad. Las respuestas del error e_{log-dB} respectivas se muestran en la figura 20, con un valor del error original de e_{log-dB}=3,09 dB.The results obtained by equalizing the loudspeaker of the first example are then compared using the proposed filter with the results when a linear FIR filter or a separately deformed FIR filter is used. The comparison is carried out using the same computational cost for the three filters, in this case 250 MAC. Figure 19 shows the frequency response of the speaker, the objective response and the responses after equalization, scaled from ten to ten dB for clarity. The respective e log-dB error responses are shown in Figure 20, with an original error value of e log-dB = 3.09 dB.

El filtro FIR lineal de orden 250 se representa sobre la línea de -10 dB, consiguiendo una curva del error de la ecualización que está dentro de \pm1 dB desde los 200 Hz a 20 kHz, pero a bajas frecuencias el error alcanza los 7,5 dB a 40 Hz. El valor del error resultante es de e_{log-dB} = 1,06 dB.The linear FIR filter of order 250 is represented on the -10 dB line, obtaining a curve of the equalization error that is within ± 1 dB from 200 Hz to 20 kHz, but at low frequencies the error reaches 7, 5 dB at 40 Hz. The resulting error value is e log-dB = 1.06 dB.

El filtro FIR deformado, que se muestra sobre la línea de -20 dB, tiene un orden N_{W}=83, que corresponde a un orden equivalente N_{MAC}=250 (suponiendo un factor de penalización de 3 para la implementación deformada del filtro). En este caso, el valor de \lambda seleccionado es 0,76, encontrándose la máxima resolución del filtro alrededor de 2 kHz. El error está ahora por debajo de \pm1 dB entre 150 Hz y 10 kHz, pero es mayor a frecuencias mayores y menores. El valor del error es mejor que con el filtro FIR lineal, e_{log-dB} = 0,77 dB.The deformed FIR filter, shown on the -20 dB line, has an order N_ {W} = 83, which corresponds to an equivalent order N_ {MAC} = 250 (assuming a penalty factor of 3 for the deformed implementation of the filter). In this case, the value of λ selected is 0.76, with the maximum resolution of the filter being around 2 kHz. The error is now below ± 1 dB between 150 Hz and 10 kHz, but is greater at higher and lower frequencies. The error value is better than with the linear FIR filter, e log-dB = 0.77 dB.

Por último, la ecualización con la estructura de filtro propuesta se representa sobre la línea de -30 dB. Tiene N_{MAC}=250, con un filtro FIR deformado de N_{W}=33 con \lambda=0,98 y un filtro FIR lineal con N=151. La curva de error está dentro de \pm 1 dB desde 20 Hz hasta 20 kHz, e incluso por debajo de \pm 0,5 dB entre 20 Hz y 800 Hz y entre 1,5 kHz y 20 kHz. El valor del error es de sólo e_{log-dB} = 0,08 dB, lo que indica que desde un punto de vista psico-acústico, el error percibido será el menor de los tres filtros. Con el mismo coste computacional, el filtro propuesto obtiene una ecualización más plana y un valor del error menor, requiriéndose así un filtro de orden menor para conseguir un valor del error deseado en la ecualización.Finally, equalization with the proposed filter structure is represented on the -30 dB line. It has N_ {MAC} = 250, with a distorted FIR filter of N_ {W} = 33 with λ = 0.98 and a linear FIR filter with N = 151. The error curve is within ± 1 dB from 20 Hz to 20 kHz, and even below ± 0.5 dB between 20 Hz and 800 Hz and between 1.5 kHz and 20 kHz. The error value is only e log-dB = 0.08 dB, which indicates that from a psycho-acoustic point of view, the perceived error will be the smallest of the three filters. With the same computational cost, the proposed filter obtains a flatter equalization and a lower error value, thus requiring a lower order filter to achieve a value of the desired error in the equalization.

Finalmente, la figura 21 muestra el esquema de un aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con la presente invención, en el que se aprecian los diferentes elementos que lo componen. En un ejemplo de ecualización de altavoces (no mostrados), la señal de entrada al aparato (1) llega ya en formato digital, y por tanto es recibida por el medio de entrada (11) a través del receptor de tramas digitales (2). El medio de entrada (11), a su vez, la envía al medio de procesamiento (6), que realiza todas las operaciones necesarias para aplicar el filtrado digital de acuerdo con la invención. Finalmente la señal ya filtrada sale del aparato (1) a través del transmisor de tramas digitales (3), que está comprendido en el medio de salida (12).Finally, figure 21 shows the scheme of an apparatus (1) for digital signal filtering according to the present invention, in which the different elements are appreciated That composes. In an example of speaker equalization (no shown), the input signal to the device (1) arrives in format digital, and therefore is received by the input means (11) to through the receiver of digital frames (2). The means of entry (11), in turn, sends it to the processing medium (6), which performs all the operations necessary to apply digital filtering of according to the invention. Finally the already filtered signal leaves the apparatus (1) through the digital frame transmitter (3), which it is included in the outlet means (12).

Los medios de entrada y salida (11 y 12) del aparato (1) de este ejemplo comprenden además conversores analógico/digital (4) y digital/analógico (5), necesarios cuando la señal a filtrar esté inicialmente en formato analógico o cuando se deba enviar en ese formato. Adicionalmente, el aparato (1) comprende una unidad de memoria (7) para almacenar resultados o características de la señal de entrada al aparato o de la señal filtrada calculadas por el medio de procesamiento (6), un medio de comunicaciones (8), que permite el envío de información, un medio de interfaz (10) para la interacción entre el aparato (1) y los usuarios, y un microcontrolador (9) que gestiona el funcionamiento de los elementos anteriores.The means of entry and exit (11 and 12) of the apparatus (1) of this example further comprise converters analog / digital (4) and digital / analog (5), required when the signal to be filtered is initially in analog format or when I must send in that format. Additionally, the apparatus (1) comprises a memory unit (7) for storing results or characteristics of the input signal to the device or the signal filtered calculated by the processing means (6), a means of communications (8), which allows the sending of information, a means of interface (10) for the interaction between the device (1) and the users, and a microcontroller (9) that manages the operation of the previous elements.

Claims (15)

1. Procedimiento de filtrado digital de señales caracterizado porque comprende aplicar a una señal de respuesta de un sistema una combinación en cascada o en paralelo de un filtrado digital lineal con, al menos, un filtrado digital deformado para obtener una respuesta objetivo, y donde la combinación de filtros no incluye ningún retardo.1. Digital signal filtering process characterized in that it comprises applying a cascade or parallel combination of a linear digital filtering with at least one deformed digital filtering to obtain an objective response, and where the Filter combination does not include any delay. 2. Procedimiento de filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el sistema es un sistema acústico.2. Digital signal filtering method according to claim 1, characterized in that the system is an acoustic system. 3. Procedimiento de filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema acústico es un altavoz.3. Digital signal filtering method according to claim 2, characterized in that the acoustic system is a loudspeaker. 4. Procedimiento de filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema acústico es un audífono.4. Digital signal filtering method according to claim 2, characterized in that the acoustic system is a hearing aid. 5. Programa de ordenador que comprende instrucciones de programa que provocan que un ordenador lleve a cabo las operaciones del procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.5. Computer program comprising program instructions that cause a computer to perform the operations of the procedure according to any of the previous claims. 6. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque está almacenado en unos medios de almacenamiento.6. Computer program according to claim 5, characterized in that it is stored in storage media. 7. Programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque se transmite a través de una señal portadora.7. Computer program according to claim 5, characterized in that it is transmitted through a carrier signal. 8. Aparato (1) para el filtrado digital de señales, caracterizado porque comprende:8. Apparatus (1) for digital signal filtering, characterized in that it comprises: un medio de entrada (11), que transmite una señal de entrada a un medio de procesamiento (6); yan input means (11), which transmits a input signal to a processing medium (6); Y un medio de procesamiento (6), que recibe la señal de entrada del medio de entrada (11) y le aplica un filtrado digital que combina un filtrado lineal con, al menos, un filtrado deformado, en cascada o en paralelo, obteniendo una señal objetivo, donde la combinación de filtrados no incluye retardos.a processing means (6), which receives the input signal of the input medium (11) and a filter is applied digital that combines linear filtering with at least one filtering deformed, in cascade or in parallel, obtaining an objective signal, where the combination of filtrates does not include delays. 9. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque el medio de procesamiento (6) se elige de entre la siguiente lista: un ordenador, un DSP, una FPGA, un ASIC, un microprocesador y un microcontrolador.9. Device (1) for digital signal filtering according to claim 8, characterized in that the processing medium (6) is chosen from the following list: a computer, a DSP, an FPGA, an ASIC, a microprocessor and a microcontroller. 10. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 ó 9, caracterizado porque comprende además un medio de salida (12), que transmite al exterior la señal objetivo desde el medio de procesamiento (6).10. Apparatus (1) for digital signal filtering according to any of claims 8 or 9, characterized in that it further comprises an output means (12), which transmits the target signal from the processing medium (6) to the outside . 11. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque los medios de entrada y salida (11, 12) comprenden, respectivamente, medios de conversión analógico-digital (4) y digital-analógico (5) y/o un receptor (2) y un transmisor (3) de datos digitales.11. Apparatus (1) for digital signal filtering according to any of claims 8-10, characterized in that the input and output means (11, 12) respectively comprise analog-digital conversion means (4) and digital-analog (5) and / or a receiver (2) and a digital data transmitter (3). 12. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado porque comprende además un medio de comunicaciones (8).12. Apparatus (1) for digital filtering of signals according to any of claims 8-11, characterized in that it further comprises a communications medium (8). 13. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque comprende además un medio de interfaz (10) con los usuarios.13. Apparatus (1) for digital signal filtering according to any of claims 8-12, characterized in that it further comprises an interface means (10) with the users. 14. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-13, caracterizado porque además comprende un medio de almacenamiento (7).14. Apparatus (1) for digital filtering of signals according to any of claims 8-13, characterized in that it further comprises a storage medium (7). 15. Aparato (1) para el filtrado digital de señales de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8-14, caracterizado porque además comprende un microcontrolador (9).15. Apparatus (1) for digital signal filtering according to any of claims 8-14, characterized in that it further comprises a microcontroller (9).
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