使用非线性相位滤波器的示例

信息处理 过滤器 过滤器设计 有限脉冲响应 无限脉冲响应 线性相位
2021-12-31 06:27:43

我偶然发现了这个老问题: 为什么线性相位很重要?

那里解释了为什么线性相位处理(滤波)很重要。由于线性和非线性相位处理对波形的影响也得到了很好的说明。我的问题如下:那么为什么有人会使用非线性相位滤波器呢?有人可以举一些根本不关心相位的例子吗?使用非线性相位滤波器有什么优势吗?为什么不是每个人都只使用线性相位信号处理?

4个回答

两个例子:

音频:人耳对非线性相位不是很敏感(可能是因为世界使用非线性相位滤波器过滤声音)。然而,它对“预响”的敲击声很敏感*;即,在主要的“砰”之前开始发出声音。

因此,对于高保真音频,人们通常希望使用最小相位滤波器(往往具有非线性相位响应)。特别是,IIR 滤波器的使用很普遍(或至少普遍提倡)。

控制系统:在控制系统中,绝对相移(或延迟)而不是非线性相移是敌人。FIR 滤波器在响应输入脉冲时产生漂亮漂亮的输出脉冲,使系统无法在不振荡的情况下调谐到尽可能高的带宽——而具有纯延迟的系统(如您从 FIR 滤波器中获得的那样)特别难以调谐.

因此,除了例外(即,如果您小心的话,可以使用梳状滤波器,控制工程师希望使用 IIR 滤波器完成任何滤波,并且他们往往希望将其保持在最低限度。

* 或者至少有音频设备设计师相信这一点——我在模仿我读过的东西。

精确的线性相位只能通过有限脉冲响应 (FIR) 滤波器来实现。与具有相当幅度响应的无限脉冲响应 (IIR) 滤波器相比,这些滤波器需要更多的计算和内存。此外,如果需要高滤波器阶数来满足规范,则线性相位 FIR 滤波器的延迟会变大(它大约等于抽头数乘以采样周期的一半)。

即使是具有非线性相位的 FIR 滤波器也比其线性相位滤波器(略)更有效,因为对于相同幅度响应,它们可以比线性相位滤波器具有更低的阶数(更少的系数)。

至于应用,在过滤(均衡)音频信号时,您通常不太关心相位,因此这通常由更高效的 IIR 滤波器完成。当然也有相位很重要但需要特定非线性相位的应用。例如,在相位均衡中,您希望近似特定的非线性相位响应来补偿另一个系统的(非线性)相位,以便整个系统(某些给定系统和相位均衡器的串联)具有近似线性相位。

在此处输入图像描述这是一个发生在我以前工作的公司的真实故事。我们设计了用于无损测量的超声分析产品。一种分析技术称为“飞行时间衍射”或 TOFD。

在这个应用程序中,用户必须分析振铃(或“回声”见附图)来估计材料中潜在缺陷的位置。通常存在高水平的准直流(低频成分远低于感兴趣的频率),这使得分析回波变得困难。要去除“准直流”,最好使用高通滤波器。

但是,如果您使用线性 FIR 滤波器,由滤波器响应引起的振铃将与您要测量的实际振铃“混合”,从而产生比实际更多的回声。这种现象称为 FIR 预回波(至少在某些圈子中)

在这种情况下,使用高通 IIR 滤波器会产生更好的结果。它在不产生任何预回波的情况下去除了准直流,只留下用于 TOFD 测量的真实“回波”,并且 IIR 高通滤波器成功去除了“准直流”。

编辑:在上面 Tim Wescott 的帖子中,他称之为 pre-ring,与 pre-echo 相同。

如果您使用最小相位滤波器来校正最小相位系统的幅度,您将获得“免费”的相位校正。

IIR 滤波器的计算和内存成本较低。

IIR 滤波器适用于适合某些应用的参数和时变行为。