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全通滤波器是什么?

2021/1/5 11:21:47
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概念:

全通滤波器(All-Pass Filter),英文简称APF。狭义上的全通网络能够传输全部的入射功率,因此在任意频点上其反射系数为零,传输系数为1。


广义的全通网络的幅频响应(传输系数的模)为某一固定值,而相频响应是非线性的。非线性的相频响应是全通网络的重要性质,也是与传输线最大的区别。


一段匹配好的理想传输线显然同样具有“全通”的幅频响应,但传输线的相频曲线是线性的,群时延是常数,并不能对信号的相位产生均衡。在电路工程中,最典型的集总元件全通滤波器单元由对称的栅格网络组成。


全通滤波器是什么?


频率响应:

如,低通滤波器会衰减高频信号。低通滤波器有一个截止频率,这个频率是滤波器允许通过的信号的分界线,低于截止频率的信号成分可以基本不受影响的通过,而高于截止频率的信号被衰减而不能顺利通过。正因为这种滤波器能过通过低频信号,所以被称为低通滤波器。


和低通滤波器类似:高通滤波器允许通过频率超过截止频率的信号,而低于截止频率的信号被衰减;带通滤波器有两个截止频率,两个截止频率之间的信号被允许通过,两个截止频率之外的信号被衰减;带阻滤波器也有两个截止频率,和带通滤波器相反,被衰减的是两个截止频率之间的信号,两个截止频率之外的信号可以通过。


与前面所说的几种滤波器不同,全通滤波器具有平坦的频率响应,也就是说全通滤波器并不衰减任何频率的信号。由此可见,全通滤波器虽然也叫做滤波器,但它并不具有通常所说的滤波作用,大概正是因为这个缘故,有些教科书上宁愿用全通网络这个词,而不叫它全通滤波器。


相位:

全通滤波器(APF)虽然并不改变输入信号的频率特性,但它会改变输入信号的相位。利用这个特性,全通滤波器可以用做延时器、延迟均衡等。实际上,常规的滤波器(包括低通滤波器等)也能改变输入信号的相位,但幅频特性和相频特性很难兼顾,使两者同时满足要求。全通滤波器和其他滤波器组合起来使用,能够很方便的解决这个问题。


延迟:

在通讯系统中,尤其是数字通讯领域,延迟均衡是非常重要的。不夸张的说,没有延迟均衡器,就没有广泛使用的宽带数字网络。延时均衡是全通滤波器最主要的用途,全世界所有生产出来的全通滤波器,估计有超过90%的全通滤波器被用于相位校正,因此全通滤波器也被(不准确的)被称为延迟均衡器。


相位失真:

一般来说,大家认为信号的相位失真在听感上是基本听不出来的,或者说基本不影响听感的,所以,一直没有将相位失真作为对扩声设备的技术指标之一来进行考量。


实际上,声频电信号在音响设备中传输会带来一定的相位失真,尤其是设备的频率带宽不足的情况下,电路本身对不同频率(基波和各次谐波)的信号会产生不同附加相移,从而引起信号的相位失真。如果设备中对声频信号处理中用上了(高通、低通、带通、带阻)滤波器或频率均衡器(其实就是利用带通滤波器来达到目的的)来调整信号的幅频特性,那么产生的附加相移就会更严重,尤其是在截止频率附近,其相位失真更严重。


在空间传输过程中,不同频率的声波移动相同的距离,产生的相位移是不同的,相移与频率成正比,例如传输距离为3.4m,对于50Hz的声波来说是移动了半个波长(1π弧度,或者说180°),对于100Hz的声波来说是移动了1个波长(2π弧度,或者说360°),而对200Hz的声波来说是移动了2个波长(4π弧度,或者说720°)。只有这样才能使声音信号经过传输后的波形不发生变化,即保持原来的音色。


相位补偿:

相位补偿包括两个方面:


(1)补偿的是哪两个声音源传过来的声波之间的相位差一般来说,两只扬声器产生的声音之间的相位差与听音位置到这两只扬声器的距离有关。如果听音位置到两只扬声器的距离完全相等,则理论上应该同时听到两只扬声器所发出的同一声音。从相位角度考虑,则是同相位的声音。如果听音位置与两只扬声器的距离不等,那么在听音位置就会先听到距离近的扬声器所产生的声音,后听到距离远的扬声器所产生的声音,这种现象是普遍存在的。两只扬声器的声波在听音位置由于存在时间差而先后到达,出现各个频率上不一致的相移(这是必然的,因为频率不同,波长就不同,相位差也不同),引起声波的干涉现象,造成梳状滤波器效应而改变音色。不同听音位置上两个声音中由于声波传输距离的不同,各频率产生了很多不同声波的相位差,所以,要绝对地、完全地补偿这种相位差是不可能的。


同一全频带扬声器中高频扬声器单元和低频扬声器单元由于安装位置造成振膜不在同一平面上,由前后位置的不同而引起的相位差问题,也许值得考虑,但是既然一只单元产生高频声波,另一只单元产生低频声波,那么牵涉到相位差问题的只是在分频点附近。随着频率偏离分频点,扬声器的两只高低音单元所产生的声压大小不同,相互干涉的影响程度减小,偏离分频点越远,两个单元产生的声压相差就越大,那么干涉造成的影响就越小。


另外,低音扬声器单元的振动系统质量比较大,惯性也比较大,或者说瞬态特性比较差,也会引起分频点附近高音单元和低音单元产生的声波出现相位差问题。当然,如果弥补到高音单元和低音单元的声波同时到达扬声器表面位置,情况会更好,所以不妨引入延迟来补偿,这里补偿的是时间差,而不是相位差(因为频率不同相位差也是不同的)。


(2)补偿哪个频率出现的相位差全通滤波器并不能对某个频率的相移单独进行改变,例如仅仅对某个频率的相移增大多少度或减少多少度是无法实现的。全通滤波器产生“群延迟”,可以作为延迟器来使用,会产生所谓的“线性相移”(实际上全通滤波器的相位移并不能完全呈现线性变化的),即随着频率的升高,相位移也线性地增大。


应用:

全通滤波器有很多用途。比如:单边带通讯中,可以利用全通滤波器得到两路正交的音频信号,这两路音频信号分别对两路正交的载波信号进行载波抑制调制,然后叠加就能得到所需要的无载波的单边带调制信号。


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