信号处理

IIR 与 FIR 濾波器对音频相位的影响 先前我有写过一个简单的文章分析过两种滤波器对音频相位的影响，但是我只是知其然不知其所以然。对于音频，我虽然知道相位是一个很重要的概念，但是我始终不知道相位对实际音频的印象是什么水平的。这个问题在这些年的开发过程中始终萦绕在心头。虽然不做音频了，但是我仍然对这个问题保持好奇，综上，这也是为什么有了这个文章。 一、从一个问题开始 假设我们有一个 1kHz 的正弦信号，经过一个低通滤波器之后，输出还是 1kHz 的正弦信号，幅度变小了——这很好理解，滤波器嘛，该衰减的衰减。 但仔细看输出波形，会发现它相对于输入信号产生了一个时间上的延迟。这个延迟不是简单的"整体往后挪了 N 个采样点"，而是不同频率的信号延迟不一样。 1kHz 的信号延迟了 0.5ms，500Hz 的信号延迟了 0.8ms，2kHz 的信号延迟了 0.3ms——每个频率成分的延迟都不一样。 这就是相位失真。 对于音频处理来说，这个问题比听起来严重得多。人耳对相位差的感知不如幅度那么直接，但当不同频率成分的延迟差异大到一定程度时，会导致： 瞬态信号（比如鼓点、齿音）的波形被"模糊化" 立体声声像偏移 某些频段的"堆叠"或"空洞" 所以，理解滤波器的相位特性，是做音频处理的基本功。 先说结论，IIR 的相位响应受幅度响应约束（最小相位特性），无法独立控制；FIR 可以独立控制幅度和相位，因此能实现线性相位或任意指定相位。 但是至于为什么音频行业常用IIR滤波器，这个问题我将在补充后说明。 二、先回顾一下：FIR 和 IIR 是什么 FIR（有限脉冲响应） FIR 滤波器的差分方程： $$y[n] = \sum_{k=0}^{M} b_k , x[n-k]$$ 输出只依赖于当前和过去的输入，没有反馈。脉冲响应是有限长的（长度 M+1）。 IIR（无限脉冲响应） IIR 滤波器的差分方程： $$y[n] = \sum_{k=0}^{M} b_k , x[n-k] - \sum_{k=1}^{N} a_k , y[n-k]$$ 输出同时依赖于输入和过去的输出（反馈）。脉冲响应理论上是无限长的。 两者的核心区别在于有没有反馈。这个结构上的差异，直接决定了它们的相位特性。 三、相位响应的推导 从频率响应说起 一个 LTI（线性时不变）系统的频率响应可以写成： ...