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[数字信号处理]相位特性解卷绕

2013年12月12日 ⁄ 综合 ⁄ 共 1798字 ⁄ 字号 评论关闭
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1.什么是解卷绕?为什么要解卷绕?

         对于FIR滤波器的系数,也就是FIR滤波器的单位冲击响应,做离散时间的傅里叶变换。比如,像下面这样。

所得到的结果是这个FIR滤波器的频率响应。然而,频率响应又表示为振幅特性和相位特性,就像这样

所以,振幅特性和相位特性就按下式可以计算出来。

          既然如此,我们就把一个系统的相位特性作图,看看得到的是什么东西。就拿我们之前已经设计并实现的FIR来做试验,其相位特性如下图所示。

我们都知道,FIR滤波器是具有线性相位特性的,说的不严格一点,至少他是一条直线。而上图的拿Matlab画的相位特性,并是这样的。为什么呢?再次看看我们之前的算式,其使用到了反正切函数。假设,我们现在所设计的滤波器某一段相位特性,是由-120°转动到-225°的,就像下图所示一样的。

但是,Matlab所求得的反正切的值的范围是。所以,当角度转过实轴(Re轴),-225°所输出的值为135°,这里产生了一个2π的跳动。所以,我们看到的相位特性,在开始的部分,跳动都是2π。为了形象点,我在下图标注了。

这也就解决了一个问题,为什么明明是线性相位特性,用Matlab画出来的相位特性却如此不规则。所以,在这个时候,我们需要把反正切漏算的2π给补上,这个过程就叫做解卷绕,有的也称为解包裹。在Matlab中,使用函数unwrap()进行解卷绕操作,具体的代码就像这样。当然,在绘制相位特性前,你需要一组FIR滤波器系数h

w = 0:0.01:pi;
H = freqz(h,1,w);
figure;
plot(w,unwrap(angle(H)));
axis([0 pi -35 5]);grid; 
xlabel('Frequency \omega [rad]');
ylabel('\theta [rad]');

      解完卷绕后的相位特性,就像下图一样,很清晰的就可以看出是线性相位特性。

       

       即便是到此,我们解卷绕之后,还是有一个问题,红色的部分,还是在震荡。为什么会有这个震荡呢?

2.为什么要解卷绕之后,相位特性还不是完美的直线?

       要弄清楚问题,我们先看看这个FIR滤波器的振幅特性和相位特性。
可以看到,相位特性产生震荡的部分,好像就在截止频率附近。然而,通过窗函数实现的滤波器,通带和阻带是有纹波的。这里的振幅特性由于纵轴是对数特性,所以,我们可以很清晰的看到阻带纹波的存在。正是因为纹波的存在,才使得相位特性有震荡!
        为了方便理解,我们把之前离散时间傅里叶变换的计算结果拿出来,直接画在复平面上,如下图所示。
        我们先看这个最外层的圆,这个圆必定是单位圆。这个单位圆代表了通带,在通带上,振幅特性为1。我们可以这么理解外面的最外层的圆。然后从某一点开始,这个圆逐渐向圆心收敛(嘛,不要在意不严密的言辞)。这个收敛的区域代表了过渡带,振幅特性在逐渐减小。最后到达阻带,严格来讲,理想情况下,阻带就是原点。因为阻带的振幅特性为0。
       但是,我们之前提及了,纹波是存在的!通带有纹波,阻带也有纹波。通带由于存在纹波,不会是完美的单位圆。同样的,阻带由于存在纹波,也不是完美的。我们放大来看看。
        由于纹波存在,阻带不是一个点。我们仔细观察,阻带的复平面的表现形状总是从第三象限,穿过原点,到达地一象限!按照之前的说的,反正切输出的的范围是,所以,这里产生的跳动是π,而不是2π!我们再将其标注在图上,便于理解。
        到此,对于相位特性的理解又深刻了!!
       

2.不负责的几句话

       再说一点题外话,这点我没考证过。在复平面内来说,理想滤波器的阻带应该是原点。但是,相位特性是这样计算的,如下图(其实这个前面说过)。
也就是,虚部除以实部的反正切。这里就有问题了,要是原点的话,相位特性在原点无意义。也就是说,其实截止频率之后的相位特性不用管的,只要看通带的相位特性就好了。
        要是觉得难以理解,可以换种思维。首先,相位特性反应了输入与输出之间的延迟。对于低通滤波器,输入的信号(单成分正弦波)频率越高,延迟越大。当频率超过截止频率,那么输入与输出之间的延迟,是无限的,输出永远不会到来,也就是阻带。
       最后这几句话是我个人的理解,没有什么科学的证明!为了方便理解,可以那么去想。

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