数字信号处理v3 第六章 IIR滤波器(2)

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继续讲解！虽然IIR滤波器在通信信号处理方面用的少，但是涉及的滤波器设计思路是通用的，后续设计FIR滤波器也类似哦。本章的重点就是滤波器的设计方法，了解这些方法，遇到MATLAB中的相关函数才能知道该函数的特点，尤其是参数的作用，这样才能得心应手的使用很多MATLAB的自带函数。

有问有答才是教学！

可惜课堂上的互动几乎为0！

看清楚上图的红字，我在研发产品时就是这么做的。本人在公众号里面给出多个产品的研发过程，对学习数字信号处理非常有帮助！

来个小插曲吧，看看PPT中有哪些图表可以用来显示数据。

误差是难免的！

典型的理想与现实的差距。

只要能满足要求即可！

现在都是靠计算机辅助设计，网上一大堆这样的软件可以计算滤波器的系数。

大家需要重点了解有哪些设计方法，软件里面会让同学们通过选择对应选项完成相关设计，因此要知道这些方法的差异，也就是要了解各种方法的优缺点。

最小相位延迟系统在以下电子产品中有应用：

音频处理设备

专业音频工作站：在音乐制作、影视后期音频制作等专业音频工作站中，工程师对录制的音频素材进行混音等处理时，添加各种效果器容易改变音频信号的相位特性。最小相位延迟系统作为底层信号处理环节嵌入其中，可保证音频信号的相位延迟维持在最小程度，使处理后的音乐作品能保持乐器原本的音色特点和演奏的节奏感，有助于制作出高质量、高保真的音频成品。
高端音响设备：在高端的家庭影院音响系统或专业演出用的扩音设备中，播放多声道音频源时，不同声道的音频信号经过音响系统中的功率放大器、分频器等部件处理后容易出现相位不一致的情况，影响声音的定位感和立体感。采用最小相位延迟系统对每个声道的音频信号进行相位优化，可确保各声道声音在空间中准确融合，达到最小的相位延迟差异，为听众营造沉浸式听觉体验。

医疗设备

医学成像设备：如核磁共振成像（MRI）设备、计算机断层扫描（CT）设备等，在数据采集和图像重建过程中，需要对大量的传感器信号进行处理和分析。最小相位延迟系统可以用于优化信号的传输和处理，减少信号的相位失真，提高图像的分辨率和质量，有助于医生更准确地诊断疾病。
医疗监测设备：如心电图（ECG）监测仪、脑电图（EEG）监测仪等，需要实时监测人体的生理信号。这些信号通常比较微弱，容易受到干扰。最小相位延迟系统可以用于对监测信号进行滤波和放大，同时保持信号的相位信息，提高信号的质量和可靠性，确保监测数据的准确性。

以下是全通滤波器在一些常见电子产品中的具体使用案例：

一、智能手机在智能手机的射频前端电路中，手机需要处理来自不同基站的多频段信号，例如同时接收 4G 的 LTE 频段（如 B1、B3、B5 等频段）以及 5G 的多个毫米波频段和 Sub-6GHz 频段信号。由于这些频段的信号在经过天线接收、射频芯片内的各种混频、放大等处理过程中，会产生不同程度的相位偏移。全通滤波器被应用于此，对各个频段的接收信号进行相位校准。例如，当手机在切换不同基站或者在不同网络环境（如从室内到室外，信号传播条件改变）下，全通滤波器可以实时调整信号相位，保障手机能准确解调信号，从而维持稳定的通话质量以及快速的数据传输速度，避免出现通话中断、网络延迟突然增大等问题。同时在手机的音频处理部分，当播放音乐或者视频音频时，全通滤波器也用于调整音频信号的相位，让左右声道的声音在人耳处能更好地融合，营造出更立体、逼真的听觉效果，提升用户的多媒体体验。

二、智能音箱像亚马逊 Echo、谷歌 Home 等智能音箱产品，其内部有复杂的音频处理系统。智能音箱在播放各种音频内容（如音乐、有声读物、语音助手回复的语音等）时，为了实现高保真的音质还原，会利用全通滤波器来校正音频信号的相位。例如，音箱内部的数字信号处理器（DSP）在对音频文件解码后，会将音频信号分频段进行处理，不同频段的信号经过不同的放大、均衡等操作后，相位会发生改变。全通滤波器在这里就可以针对每个频段的信号进行精细的相位调整，使得最终从扬声器输出的声音在音色、立体感等方面达到更好的效果。而且当用户使用多个智能音箱组成多声道音响系统（如家庭影院模式下的 5.1 声道、7.1 声道配置）时，全通滤波器还能协调各个音箱输出音频信号的相位，让不同音箱发出的声音在空间中准确融合，营造出沉浸式的环绕音效体验。

三、无人机在无人机的飞控系统和通信系统中都能见到全通滤波器的身影。从飞控系统角度来看，无人机上安装有多个传感器，比如陀螺仪、加速度计、气压计等，这些传感器采集到的信号用于判断无人机的飞行姿态、高度、速度等关键信息。然而，传感器信号在传输到飞控主板进行处理的过程中，可能会因为线路干扰、不同传感器的响应特性差异等因素产生相位变化。全通滤波器被用来对这些传感器信号进行相位补偿，确保飞控系统接收到准确的信号，进而精确地控制电机转速和桨叶角度等，维持无人机飞行的稳定性和精准操控性。在通信方面，无人机与遥控器之间通过无线信号进行通信，传输控制指令和回传飞行状态数据等信息，全通滤波器可以对通信的射频信号进行相位校准，增强信号传输的抗干扰能力，保证在较远的飞行距离以及复杂的电磁环境（如城市中有众多无线信号源的区域）下，遥控器与无人机之间的通信稳定可靠，避免出现失联等情况。

四、示波器以泰克（Tektronix）、是德科技（Keysight）等品牌的高端示波器为例，在测量复杂的电子电路信号时，示波器需要准确呈现信号的各种特性，包括相位信息。当测量如高速数字电路中的时钟信号与数据信号之间的相位关系，或者是模拟电路中多个相关信号的相位差等情况时，示波器内部的信号调理电路中会采用全通滤波器。全通滤波器对输入的被测信号进行相位调整，消除信号在示波器探头以及前置放大器等环节可能产生的非预期相位偏移，使得示波器屏幕上显示的波形能够真实反映信号的实际相位状态，帮助电子工程师精准分析电路的时序关系、信号同步情况等，便于进行电路调试、故障排查以及性能评估等工作。

五、汽车音响系统在现代汽车的高级音响系统中，尤其是配备了多个扬声器（如全车有十几个甚至更多扬声器，包括高音扬声器、中音扬声器、低音扬声器等不同类型，分布在车门、中控台、后备箱等位置）的车型，全通滤波器有着重要应用。音响系统在播放音乐时，音频信号从车载主机输出后，要经过功率放大器等环节分配到各个扬声器。不同扬声器由于其安装位置、声学特性以及与主机之间的连接线路长度等因素，接收到的音频信号会有不同的相位情况。全通滤波器可以针对每个扬声器通道的音频信号进行相位调整，让全车的扬声器协同工作，在车内营造出理想的声学效果，比如实现精准的声场定位，使驾乘人员感觉声音是从特定的方向传来，仿佛置身于音乐厅现场一样，提升汽车内部的听觉舒适性和音乐欣赏体验。