Python 基於FIR實現Hilbert濾波器求訊號包絡詳解
阿新 • • 發佈:2020-02-26
在通訊領域,可以通過希爾伯特變換求解解析訊號,進而求解窄帶訊號的包絡。
實現希爾伯特變換有兩種方法,一種是對訊號做FFT,單後只保留單邊頻譜,在做IFFT,我們稱之為頻域方法;另一種是基於FIR根據傳遞函式設計一個希爾伯特濾波器,我們稱之為時域方法。
# -*- coding:utf8 -*- # @TIME : 2019/4/11 18:30 # @Author : SuHao # @File : hilberfilter.py import scipy.signal as signal import numpy as np import librosa as lib import matplotlib.pyplot as plt import time # from preprocess_filter import * # 讀取音訊檔案 ex = '..\\..\\資料集2\\pre2012\\bflute\\BassFlute.ff.C5B5.aiff' time_series,fs = lib.load(ex,sr=None,mono=True,res_type='kaiser_best') # 生成一個chirp訊號 # duration = 2.0 # fs = 400.0 # samples = int(fs*duration) # t = np.arange(samples) / fs # time_series = signal.chirp(t,20.0,t[-1],100.0) # time_series *= (1.0 + 0.5 * np.sin(2.0*np.pi*3.0*t) ) def hilbert_filter(x,fs,order=201,pic=None): ''' :param x: 輸入訊號 :param fs: 訊號取樣頻率 :param order: 希爾伯特濾波器階數 :param pic: 是否繪圖,bool :return: 包絡訊號 ''' co = [2*np.sin(np.pi*n/2)**2/np.pi/n for n in range(1,order+1)] co1 = [2*np.sin(np.pi*n/2)**2/np.pi/n for n in range(-order,0)] co = co1+[0]+ co # out = signal.filtfilt(b=co,a=1,x=x,padlen=int((order-1)/2)) out = signal.convolve(x,co,mode='same',method='direct') envolope = np.sqrt(out**2 + x**2) if pic is not None: w,h = signal.freqz(b=co,worN=2048,whole=False,plot=None,fs=2*np.pi) fig,ax1 = plt.subplots() ax1.set_title('hilbert filter frequency response') ax1.plot(w,20 * np.log10(abs(h)),'b') ax1.set_ylabel('Amplitude [dB]',color='b') ax1.set_xlabel('Frequency [rad/sample]') ax2 = ax1.twinx() angles = np.unwrap(np.angle(h)) ax2.plot(w,angles,'g') ax2.set_ylabel('Angle (radians)',color='g') ax2.grid() ax2.axis('tight') # plt.savefig(pic + 'hilbert_filter.jpg') plt.show() # plt.clf() # plt.close() return envolope start = time.time() env0 = hilbert_filter(time_series,81,pic=True) end = time.time() a = end-start print(a) plt.figure() ax1 = plt.subplot(211) plt.plot(time_series) ax2 = plt.subplot(212) plt.plot(env0) plt.xlabel('time') plt.ylabel('mag') plt.title('envolope of music by FIR \n time:%.3f'%a) plt.tight_layout() start = time.time() # 使用scipy庫函式實現希爾伯特變換 env = np.abs(signal.hilbert(time_series)) end = time.time() a = end-start print(a) plt.figure() ax1 = plt.subplot(211) plt.plot(time_series) ax2 = plt.subplot(212) plt.plot(env) plt.xlabel('time') plt.ylabel('mag') plt.title('envolope of music by scipy \n time:%.3f'%a) plt.tight_layout() plt.show()
使用chirp訊號對兩種方法進行比較
FIR濾波器的頻率響應
使用音訊訊號對兩種方法進行比較
由於音訊訊號時間較長,取樣率較高,因此離散訊號序列很長。使用頻域方法做FFT和IFFT要耗費比較長的時間;然而使用時域方法只是和濾波器衝擊響應做卷積,因此運算速度比較快。結果對比如下:
頻域方法結果
時域方法結果
由此看出,時域方法耗費時間要遠小於頻域方法。
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