如何將高頻噪聲從信號(hào)中濾除掉？

我們經(jīng)常會(huì)在模擬電路中用到濾波器，比如音頻信號(hào)、心電圖信號(hào)、傳感器等等信號(hào)中濾除不想要的信號(hào)頻段。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)字信號(hào)對(duì)噪聲的容忍度會(huì)高一些，但有時(shí)在應(yīng)用中我們也希望在信號(hào)鏈的某個(gè)點(diǎn)濾除不需要的數(shù)字波形。

本文介紹了一種將高頻噪聲從信號(hào)中濾除的有效方法。

我們經(jīng)常會(huì)在模擬電路中用到濾波器，比如音頻信號(hào)、心電圖信號(hào)、傳感器等等信號(hào)中濾除不想要的信號(hào)頻段。相對(duì)來(lái)說(shuō)，數(shù)字信號(hào)對(duì)噪聲的容忍度會(huì)高一些，但有時(shí)在應(yīng)用中我們也希望在信號(hào)鏈的某個(gè)點(diǎn)濾除不需要的數(shù)字波形。

你可能想知道為什么需要某種特殊濾波器來(lái)處理數(shù)字信號(hào)。與對(duì)模擬波形進(jìn)行低通濾波相比，對(duì)數(shù)字波形進(jìn)行低通濾波有何不同？

首先，我們先來(lái)了解一下傅里葉變換。在頻域中，你看到的數(shù)字波形實(shí)際上并不是數(shù)字波形。它是一長(zhǎng)串（理論上是無(wú)限的）具有不同頻率和不同振幅的正弦曲線的組合。當(dāng)這些正弦波完全對(duì)齊時(shí)，結(jié)果就是一個(gè)正常的方形（或矩形）波形。 然而，當(dāng)它們沒(méi)有對(duì)齊時(shí)，你最終會(huì)得到一個(gè)扭曲的塊狀東西，它不是真正的方波，也不是正弦波。

舉一個(gè)例子。下面的電路是一個(gè)四階巴特沃斯低通濾波器：

下面是它的頻率響應(yīng)曲線

如果我使用此電路過(guò)濾 10 kHz方波，結(jié)果如下：

這里的問(wèn)題是巴特沃斯濾波器沒(méi)有線性相位響應(yīng)—換句話說(shuō)，相移以不同頻率經(jīng)歷不同時(shí)間延遲的方式變化。因此，方波中的頻率分量在通過(guò)濾波器時(shí)不會(huì)保持對(duì)齊，最終結(jié)果是我們?cè)谏仙?下降沿看到的過(guò)沖/下沖。

上圖中出現(xiàn)的過(guò)沖并不可怕，但波形的整體外觀隨著周期的減小而惡化比較嚴(yán)重：

另請(qǐng)注意，隨著濾波器階數(shù)的增加，振鈴會(huì)變得更嚴(yán)重。

我們可以使用貝塞爾濾波器來(lái)解決上面這個(gè)問(wèn)題。貝塞爾電路本身與巴特沃斯電路或切比雪夫電路沒(méi)有什么不同。只是部分元器件的值發(fā)生了改變。

貝塞爾濾波器針對(duì)線性相位響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，這使其非常適合最大限度地減少數(shù)字信號(hào)中的振鈴，過(guò)沖。我們要記住這種變化的真正原因：非線性相位響應(yīng)，它會(huì)在波形之間產(chǎn)生時(shí)間分離構(gòu)成方波的傅里葉頻率。

下面的電路和前面的電路一樣有四個(gè)極點(diǎn)，和相同的截止頻率。 然而不同的是元器件選用了不同的值來(lái)創(chuàng)建貝塞爾響應(yīng)而不是巴特沃斯響應(yīng)。

下面是波特圖

下圖包括巴特沃斯和貝塞爾濾波器的時(shí)域波形；你可以看到貝塞爾濾波器大大減少了失真。

結(jié)論：

我們討論了數(shù)字信號(hào)低通濾波的概念，我們研究了沒(méi)有線性相位響應(yīng)的濾波器產(chǎn)生的不良影響。最后，我們引入了貝塞爾濾波器，它針對(duì)線性相位響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，并且可以顯然減小時(shí)域波形中的振鈴。