从文件（八度）进行块流传输时音频失真

Question

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我正在设置一个简单的音频 IO 系统，该系统通过从已存储在内存中的文件一次调用一个块来模拟“实时块处理”。

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目前，我有一个简单的脚本，它从文件中检索数据，然后进入 while 循环，一次提取一个块，并提供 600 Hz 的一阶巴特沃斯低通滤波器（要测试的框架设置）。然后处理每个块并将其添加到在 while 循环范围之外声明的另一个数组中，以便处理后的数据可以在完成后写入波形文件。

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为了过滤数据，我使用 Octave signal pkg 生成系数 (butter)，然后使用内置 filter 函数来应用 IIR 滤波器。

问题是，如果我不应用任何过滤器影响，即输入=输出，音频听起来完全相同。但是，如果我每次调用块时都应用滤波器，则会产生振铃，从而使信号严重数字失真。

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请参阅以下设置脚本（目前仅处理单声道音频）。

# Reset
close all; clear all;

# Audio file path
fileName = 'test.wav';

# Init routines
[x,fs] = audioread(fileName);
xlen = length(x);
[dim1,dim2] = size(x);
y = zeros(dim1,dim2);
[b,a] = butter(1, (600./(fs*0.5)));    
index = 1;
blockSize = 256;

# Enter process loop
while(index + blockSize < xlen)

  # Extract one block
  audioBlock(:,1) = x(index : index + blockSize - 1, 1);

  # Do process
  outAudioBlock = filter(b,a,audioBlock);

  # Store output block
  y(index : index + blockSize - 1, 1) = outAudioBlock(:);

  # Update index 
  index += blockSize;

endwhile

# Write to outputs
audiowrite('processed.wav', y, fs);
audiowrite('processed1.wav', filter(b,a,y), fs);

第二个音频写入只是一个示例，它确认在一次调用中过滤整个音频数据不会产生失真，而块过滤会产生明显的数字失真。

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作为旁注：

我还尝试使用不同的滤波技术，包括频域乘法加窗，然后 ifft 返回（使用八度 fftfilt 并仅使用 fft）以及时域卷积并创建重叠相加方法。当应用 FIR 滤波器而不是使用 IIR 系数时，也会出现相同的效果。

我也知道这个例子忽略了音频的最后一个块，但对于这个用例，我不关心最后一个块的零填充。

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我不确定我错过了什么；有什么想法吗？

编辑1：这个想法是如果可能的话不使用频域处理（只是时域IIR/FIR滤波），但我研究了频域乘法以查看是否发生了类似的失真结果（它确实发生了）。

Answer 1

这很可能是边缘效应。您将因果 IIR 滤波器应用于

audioBlock

。为了计算第一个样本，状态被初始化为全零。如果我没记错的话，这相当于假设第一个样本之前的信号全为零。这可能会产生不连续性，从而影响块开头的一定数量的样本。由于您使用 IIR 滤波器，因此这种效应可能会持续很长时间。在这方面使用 FIR 滤波器更安全。

我们假设

margin

样本受到影响。您可以按如下方式修改代码，以将信号扩展该量并防止失真：

while(index + blockSize < xlen)

  % Extract one block
  if index==1
    audioBlock = x(index : index + blockSize - 1);
  else
    audioBlock = x(index - margin : index + blockSize - 1);
  end

  % Do process
  outAudioBlock = filter(b,a,audioBlock);

  % Store output block
  if index==1
    y(index : index + blockSize - 1) = outAudioBlock;
  else
    y(index : index + blockSize - 1) = outAudioBlock(margin+1:end);
  end

  % Update index 
  index += blockSize;

end

（免责声明：我这里没有安装octave，而且我的MATLAB副本没有信号处理工具箱，所以我无法测试上面的代码。）

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未经请求的建议：

• 您的数据都是一维的，请使用一维（线性）索引。它效率更高，打字时间也更短。 （请参阅上面的代码。）

• 提取新的信号位时不要执行

  audioBlock(:,1) =

  操作。只需将结果分配给变量即可。它快得多，并且如果信号大小发生变化并且您忘记重置变量，也不会出现问题。

• 不要以

  close all; clear all;

  开头。相反，请在脚本顶部写下

  function <filename>

  。这会将脚本转换为函数，这意味着它拥有自己的工作空间。这是一种更安全的工作方式，因为您不会意外地使用脚本中的现有变量，也不会意外地删除基础工作区中的任何内容。

• 我用

  end

  代替了

  endwhile

  。这是相同的，但也适用于 MATLAB。没有理由不使用最便携的选项。

• 我用

  %

  代替了

  #

  。同样，相同但便携。请注意 SO 语法突出显示如何与

  %

  配合使用，但不适用于

  #

  ！ :)

Answer 2

您的滤波器是 IIR，这意味着您需要在帧与帧之间保留它的状态。正是由于这个原因，“过滤器”函数具有状态输入和状态输出参数，但您没有在代码中使用这些参数。这就是为什么在每一帧中，过滤器都从干净状态开始，这必然会产生伪像。解决方法很简单：在进入循环之前将变量“state”初始化为 []，并将其添加到过滤器函数调用中的输入和输出参数中，如下所示：

[outAudioBlock, 状态] = 过滤器(b,a,audioBlock,状态);