阅读说明：本技术 一种iir滤波器实现零相位的方法及其装置 (Method and device for realizing zero phase of IIR filter ) 是由 余惠雄 于 2019-08-31 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种IIR滤波器实现零相位的方法及其装置,应用于设置有第一滤波器和第二滤波器的装置中,所述方法包括：将连续信号输入所述第一滤波器进行滤波,生成第一滤波信号；将所述第一滤波信号输入到所述第二滤波器进行滤波,生成并输出零相位的第二滤波信号；其中,所述第一滤波器和第二滤波器的相位在沿X轴线上下对称。其有益效果在于：解决了IIR滤波器非线性相位引起相位失真的问题,解决了音响分频器相位失真问题,解决了音视频信号处理的相位失真问题。提高零相移滤波器的准确度和计算效率,提高零相移滤波器的有效带宽,在信号的有效带宽内都是零相移。(The application relates to a method and a device for realizing zero phase of an IIR filter, which are applied to a device provided with a first filter and a second filter, wherein the method comprises the following steps: inputting the continuous signal into the first filter for filtering to generate a first filtered signal; inputting the first filtering signal into the second filter for filtering, and generating and outputting a second filtering signal with a zero phase; wherein the phases of the first and second filters are symmetric up and down along the X-axis. The beneficial effects are that: the problem of phase distortion caused by the nonlinear phase of an IIR filter is solved, the problem of phase distortion of a sound frequency divider is solved, and the problem of phase distortion of audio and video signal processing is solved. The accuracy and the calculation efficiency of the zero phase shift filter are improved, the effective bandwidth of the zero phase shift filter is improved, and zero phase shift exists in the effective bandwidth of signals.)

一种IIR滤波器实现零相位的方法及其装置

技术领域

本申请设涉及音视频信号处理技术领域，特别涉及一种IIR滤波器实现零相位的方法及其装置。

背景技术

目前，音响的分频器都会产生相移，使音乐的谐波和基波相位不同，会丢失音乐的一些细节，保真度受到影响。专利申请号2007100755694《IIR 滤波器的零相位实现方法及零相位IIR滤波装置》，需要对输入信号分成N个块，并进行后向滤波作相位修正再前向滤波。另一专利申请号2013106755763《一种在线零相移IIR数字滤波器的数字滤波处理方法》也类似，要截断处理，这些方法复杂，有延时，有失真，精度有限；不适用于音视频连续信号的实时处理。

发明内容

本申请为了解决上述技术问题，提供了一种IIR滤波器实现零相位的方法，应用于设置有第一滤波器和第二滤波器的装置中，所述方法包括：

将连续信号输入所述第一滤波器进行滤波，生成第一滤波信号；

将所述第一滤波信号输入到所述第二滤波器进行滤波，生成并输出零相位的第二滤波信号；

其中，所述第一滤波器和第二滤波器的相位在沿X轴线上下对称。

可选地，所述第一滤波器为低通滤波器时，第二滤波器可以是低通滤波器或全通滤波器。

可选地，所述第一滤波器为高通滤波器时，第二滤波器可以是高通滤波器或全通滤波器。

可选地，第一滤波器和第二滤波器包括至少一次加法运算、至少一次放大运算、以及至少一次延时运算。

可选地，所述第一滤波器的传递函数为：

其中，a1、a2、b0、b1、b2为第一滤波器的系数。

可选地，所述第二滤波器的传递函数为：

其中，c1、c2、d0、d1、d2为第二滤波器的系数。

可选地，所述第一滤波器、所述第二滤波器为IIR滤波器。

此外，本申请还提供了一种IIR滤波器实现零相位的装置，包括第一滤波器和第二滤波器，所述装置用于：将输入信号传入所述第一滤波器中进行滤波，生成第一信号；将第一信号传入所述第二滤波器中进行滤波，生成第二信号。

可选地，所述第一滤波器、第二滤波器均包括至少一件加法器、至少一件放大器、以及至少一件延时器。

本申请的一种IIR滤波器实现零相位的方法及其装置，其有益效果在于：解决了IIR滤波器非线性相位引起相位失真的问题，解决了音响分频器相位失真问题，解决了音视频信号处理的相位失真问题。提高零相移滤波器的准确度和计算效率，提高零相移滤波器的有效带宽，在信号的有效带宽内都是零相移。本申请结构简单，实施方便，硬件要求能支持直接II型的IIR滤波器即可，低延时，连续信号可以实时响应，相位精准补偿，零相移效果理想。本申请增加的计算量不大，与现有的DSP数字信号分频器相比，最多增加一个二阶IIR滤波器的计算量，其计算量极低。本申请还可以用于音视频信号处理，以及其他对相位敏感的信号处理。

附图说明

图1为本申请实施例的通过第一滤波器和第二滤波器的信号流向图；

图2为本申请实施例的第一滤波器和第二滤波器的结构示意图；

图3为本申请实施例的第一滤波器作为一阶低通滤波器的波特图；

图4为本申请实施例的第二滤波器作为一阶低通滤波器的波特图；

图5为本申请实施例的通过第一滤波器和第二滤波器输出信号的波特图；

其中，F1-第一滤波器，F2第二滤波器。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的较佳实施例进行详细阐述，以使本申请的优点和特征更易被本领域技术人员理解，从而对本申请的保护范围作出更为清楚的界定。

在如图1所示的实施例中，本申请提出了一种IIR滤波器实现零相位的方法，应用于设置有第一滤波器和第二滤波器的装置中，方法包括：

将连续信号输入第一滤波器进行滤波，生成第一滤波信号；

将第一滤波信号输入到第二滤波器进行滤波，生成并输出零相位的第二滤波信号；

其中，第一滤波器和第二滤波器的相位在沿X轴线上下对称。

在本实施例的一种实施方式中，将连续输入的连续信号通过第一滤波器和第二滤波器进行滤波。解决了IIR滤波器非线性相位引起相位失真的问题，解决了音响分频器相位失真问题，解决了音视频信号处理的相位失真问题。提高零相移滤波器的准确度和计算效率，提高零相移滤波器的有效带宽，在信号的有效带宽内都是零相移。本申请结构简单，实施方便，硬件要求能支持直接II型的IIR滤波器即可，低延时，连续信号可以实时响应，相位精准补偿，零相移效果理想。本申请增加的计算量不大，与现有的DSP数字信号分频器相比，最多增加一个二阶IIR滤波器的计算量，其计算量极低。本申请还可以用于音视频信号处理，以及其他对相位敏感的信号处理。

在一些实施例中，第一滤波器为低通滤波器时，第二滤波器可以是低通滤波器或全通滤波器。

在本实施例的一种实施方式中，第一滤波器为低通滤波器，第二滤波器为低通滤波器；第一滤波器、第二滤波器允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声，起到滤波作用。

在本实施例的另一种实施方式中，第一滤波器为低通滤波器，第二滤波器为全通滤波器，由于，第一滤波器允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；第二滤波器在全频带范围内，信号的幅值不会改变，也就是全频带内幅值增益恒等于1。一般全通滤波器用于移相，也就是说，对输入信号的相位进行改变，理想情况是相移与频率的相应变化正好与第一滤波器的相移在X轴上对称。连续信号通过第一滤波器过滤掉信号的高频分量后，使剩余的信号中的低频或直流仅通过第二滤波器进行移相。

在一些实施例中，第一滤波器为高通滤波器时，第二滤波器可以是高通滤波器或全通滤波器。

在本实施例的一种实施方式中，第一滤波器为高通滤波器，第二滤波器为高通滤波器；第一滤波器、第二滤波器允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。

在本实施例的另一种实施方式中，第一滤波器为高通滤波器，第二滤波器为全通滤波器，由于，第一滤波器允许信号中的允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；第二滤波器在全频带范围内，信号的幅值不会改变，也就是全频带内幅值增益恒等于1。一般全通滤波器用于移相，也就是说，对输入信号的相位进行改变，理想情况是相移与频率的相应变化正好与第一滤波器的相移在X轴上对称。连续信号通过第一滤波器过滤掉信号的低频或直流分量后，使剩余的信号中的高频分量仅通过第二滤波器进行移相。

在一些实施例中，参见图2，第一滤波器和第二滤波器包括至少一次加法运算、至少一次放大运算、以及至少一次延时运算。

在本实施例的一种实施方式中，第一滤波器和第二滤波器结构一致，其同样的结构采用系数不同；在本实施例中，第一滤波器、第二滤波器的结构包括4个加法器、2个延时器、以及5个放大器，其加法器、延时器和放大器的连接关系如图2。

在一些实施例中，第一滤波器的传递函数为：

其中，a1、a2、b0、b1、b2为第一滤波器的系数。

在本实施例中的一种实施方式中，加法器、延时器和放大器的连接关系如图2；第一滤波器的结构包括4个加法器、2个延时器、以及5个放大器；a1、a2、b0、b1、b2这些系数不仅会影响相位，同时影响幅度，还影响滤波器性质，如低通、高通、带通、全通、带阻等等滤波器；是滤波器的重要组成部分。

在一些实施例中，第二滤波器的传递函数为：

其中，c1、c2、d0、d1、d2为第二滤波器的系数。

在本实施例中的一种实施方式中，加法器、延时器和放大器的连接关系如图2；第二滤波器的结构包括4个加法器、2个延时器、以及5个放大器；c1、c2、d0、d1、d2这些系数不仅会影响相位，同时影响幅度，还影响滤波器性质，如低通、高通、带通、全通、带阻等等滤波器；是滤波器的重要组成部分。

在上述实施例的一种实施方式中，第一滤波器采用低通滤波器，第二滤波器采用与第一滤波器相应的“镜像相位”的低通滤波器，其中，镜像相位在本实施例中为第一滤波器和第二滤波器以零度相位的x轴为镜面，上下相位对称，即第一滤波器和第二滤波器的相位在沿X轴线上下对称。

在本实施例中，一阶低通滤波器F1和一阶低通镜像相位滤波器F2系数的计算公式：

a 1 = -(1-sinω0+cosω0) / (1+sinω0+cosω0);

a 2 = 0;

b 0 = sinω0 / (1+sinω0+cosω0) ;

b 1 = sinω0 / (1+sinω0+cosω0);

b 2 = 0;

c 1 = -(1+sinω0+cosω0) / (1-sinω0+cosω0);

c 2 = 0;

d 0 = -sinω0 / (1-sinω0+cosω0);

d 1 = -sinω0 / (1-sinω0+cosω0);

d 2 = 0;

其中，，ω0 是截止角频率，f0是截止频率，Fs是采样频率。

在本实施例中，在截止频率为1000Hz的一阶低通的第一滤波器，在采样频率Fs=48kHz时，第一滤波器的系数为：

a 1 = -0.876976462993;

a 2 = 0;

b 0 = 0.061511768504;

b 1 = 0.061511768504;

b 2 = 0;

F2的系数：

c 1 = -1.140281458168;

c 2 = 0;

d 0 = -0.070140729084;

d 1 = -0.070140729084;

d 2 = 0;

第一滤波器的波特图，如图3，第二滤波器的波特图，如图4，最后信号输出的波特图，如图5。

从图5看出，输出信号的幅频特性是二阶低通滤波器的特性，是两个一阶低通滤波器叠加效应，相频特性则为一条相位为零度的直线；从本实施例可证本申请解决了IIR滤波器非线性相位引起相位失真的问题，解决了音响分频器相位失真问题，解决了音视频信号处理的相位失真问题。提高零相移滤波器的准确度和计算效率，提高零相移滤波器的有效带宽，在信号的有效带宽内都是零相移。本申请结构简单，实施方便，硬件要求能支持直接II型的IIR滤波器即可，低延时，连续信号可以实时响应，相位精准补偿，零相移效果理想。本申请增加的计算量不大，与现有的DSP数字信号分频器相比，最多增加一个二阶IIR滤波器的计算量，其计算量极低。本申请还可以用于音视频信号处理，以及其他对相位敏感的信号处理。

在上述实施例的一种实施方式中，第一滤波器采用低通滤波器，第二滤波器采用与第一滤波器相应的“镜像相位”的低通滤波器，其中，镜像相位在本实施例中为第一滤波器和第二滤波器以零度相位的x轴为镜面，上下相位对称，即第一滤波器和第二滤波器的相位在沿X轴线上下对称。

二阶低通滤波器F1和二阶低通镜像相位滤波器F2对于的系数，a2，b2，c2，d2不为零；更高阶的滤波器采用二阶IIR滤波器的级联实现。

在上述实施例的一种实施方式中，第一滤波器采用高通滤波器，第二滤波器采用与第一滤波器相应的“镜像相位”的高通滤波器，其中，镜像相位在本实施例中为第一滤波器和第二滤波器以零度相位的x轴为镜面，上下相位对称，即第一滤波器和第二滤波器的相位在沿X轴线上下对称。

在本实施例中，一阶高通滤波器F1和一阶高通镜像相位滤波器F2系数的计算公式：

a 1 = -(1-sinω0+cosω0) / (1+sinω0+cosω0);

a 2 = 0;

b 0 = (1+ cosω0) / (1+sinω0+cosω0) ;

b 1 = -(1+ cosω0) / (1+sinω0+cosω0);

b 2 = 0;

c 1 = -(1+sinω0+cosω0) / (1-sinω0+cosω0);

c 2 = 0;

d 0 = (1+ cosω0) / (1-sinω0+cosω0);

d 1 = -(1+ cosω0) / (1-sinω0+cosω0);

d 2 = 0;

其中，，ω0 是截止角频率，f0是截止频率，Fs是采样频率。

在本实施例中，采用高通滤波器的第一滤波器和第二滤波器，其相频特性在经过第一滤波器和第二滤波器后形成相位为零度的直线。从本实施例可证本申请解决了IIR滤波器非线性相位引起相位失真的问题，解决了音响分频器相位失真问题，解决了音视频信号处理的相位失真问题。提高零相移滤波器的准确度和计算效率，提高零相移滤波器的有效带宽，在信号的有效带宽内都是零相移。本申请结构简单，实施方便，硬件要求能支持直接II型的IIR滤波器即可，低延时，连续信号可以实时响应，相位精准补偿，零相移效果理想。本申请增加的计算量不大，与现有的DSP数字信号分频器相比，最多增加一个二阶IIR滤波器的计算量，其计算量极低。本申请还可以用于音视频信号处理，以及其他对相位敏感的信号处理。

在一些实施例中，第一滤波器、第二滤波器为IIR滤波器；在本实施例中，IIR滤波器是一种递归滤波器，具有反馈。IIR滤波器的系统函数可以是封闭函数，在本实施例中，IIR滤波器的结构由延时器、加法器和放大器等基本运算组成，IIR滤波器可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。

在一些实施例中，参见图1，本申请还提供了一种IIR滤波器实现零相位的装置，包括第一滤波器和第二滤波器，装置用于：将输入信号传入第一滤波器中进行滤波，生成第一信号；将第一信号传入第二滤波器中进行滤波，生成第二信号。第一滤波器、第二滤波器均包括至少一件加法器、至少一件放大器、以及至少一件延时器。在本实施例中，第一滤波器、第二滤波器的结构包括4个加法器、2个延时器、以及5个放大器，其加法器、延时器和放大器的连接关系如图2。从本实施例可证本申请解决了IIR滤波器非线性相位引起相位失真的问题，解决了音响分频器相位失真问题，解决了音视频信号处理的相位失真问题。提高零相移滤波器的准确度和计算效率，提高零相移滤波器的有效带宽，在信号的有效带宽内都是零相移。本申请结构简单，实施方便，硬件要求能支持直接II型的IIR滤波器即可，低延时，连续信号可以实时响应，相位精准补偿，零相移效果理想。本申请增加的计算量不大，与现有的DSP数字信号分频器相比，最多增加一个二阶IIR滤波器的计算量，其计算量极低。本申请还可以用于音视频信号处理，以及其他对相位敏感的信号处理。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。