[科普中國(guó)]-全通濾波器

濾波器包含低通濾波器（LPF）、高通濾波器（HPF）、帶通濾波器（BPF）、帶阻濾波器（BEF）、全通濾波器（APF）。這些濾波器的幅度頻率響應(yīng)都是不平坦的。

概述狹義上的全通網(wǎng)絡(luò)能夠傳輸全部的入射功率，因此在任意頻點(diǎn)上其反射系數(shù)為零，傳輸系數(shù)為1。廣義的全通網(wǎng)絡(luò)的幅頻響應(yīng)（傳輸系數(shù)的模）為某一固定值，而相頻響應(yīng)是非線性的。非線性的相頻響應(yīng)是全通網(wǎng)絡(luò)的重要性質(zhì)，也是與傳輸線最大的區(qū)別。一段匹配好的理想傳輸線顯然同樣具有“全通”的幅頻響應(yīng)，但傳輸線的相頻曲線是線性的，群時(shí)延是常數(shù)，并不能對(duì)信號(hào)的相位產(chǎn)生均衡。在電路工程中，最典型的集總元件全通濾波器單元由對(duì)稱的柵格網(wǎng)絡(luò)組成。1

特性頻率響應(yīng)比如，低通濾波器會(huì)衰減高頻信號(hào)。低通濾波器有一個(gè)截止頻率，這個(gè)頻率是濾波器允許通過(guò)的信號(hào)的分界線，低于截止頻率的信號(hào)成分可以基本不受影響的通過(guò)，而高于截止頻率的信號(hào)被衰減而不能順利通過(guò)。正因?yàn)檫@種濾波器能過(guò)通過(guò)低頻信號(hào)，所以被稱為低通濾波器。

和低通濾波器類似：高通濾波器允許通過(guò)頻率超過(guò)截止頻率的信號(hào)，而低于截止頻率的信號(hào)被衰減；帶通濾波器有兩個(gè)截止頻率，兩個(gè)截止頻率之間的信號(hào)被允許通過(guò)，兩個(gè)截止頻率之外的信號(hào)被衰減；帶阻濾波器也有兩個(gè)截止頻率，和帶通濾波器相反，被衰減的是兩個(gè)截止頻率之間的信號(hào)，兩個(gè)截止頻率之外的信號(hào)可以通過(guò)。

與前面所說(shuō)的幾種濾波器不同，全通濾波器具有平坦的頻率響應(yīng)，也就是說(shuō)全通濾波器并不衰減任何頻率的信號(hào)。由此可見(jiàn)，全通濾波器雖然也叫做濾波器，但它并不具有通常所說(shuō)的濾波作用，大概正是因?yàn)檫@個(gè)緣故，有些教科書(shū)上寧愿用全通網(wǎng)絡(luò)這個(gè)詞，而不叫它全通濾波器。2

相位全通濾波器（APF）雖然并不改變輸入信號(hào)的頻率特性，但它會(huì)改變輸入信號(hào)的相位。利用這個(gè)特性，全通濾波器可以用做延時(shí)器、延遲均衡等。實(shí)際上，常規(guī)的濾波器（包括低通濾波器等）也能改變輸入信號(hào)的相位，但幅頻特性和相頻特性很難兼顧，使兩者同時(shí)滿足要求。全通濾波器和其他濾波器組合起來(lái)使用，能夠很方便的解決這個(gè)問(wèn)題。2

延遲在通訊系統(tǒng)中，尤其是數(shù)字通訊領(lǐng)域，延遲均衡是非常重要的。不夸張的說(shuō)，沒(méi)有延遲均衡器，就沒(méi)有現(xiàn)在廣泛使用的寬帶數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。延時(shí)均衡是全通濾波器最主要的用途，全世界所有生產(chǎn)出來(lái)的全通濾波器，估計(jì)有超過(guò)90%的全通濾波器被用于相位校正，因此全通濾波器也被（不準(zhǔn)確的）被稱為延遲均衡器。2

相位失真一般來(lái)說(shuō)，大家認(rèn)為信號(hào)的相位失真在聽(tīng)感上是基本聽(tīng)不出來(lái)的，或者說(shuō)基本不影響聽(tīng)感的，所以，一直沒(méi)有將相位失真作為對(duì)擴(kuò)聲設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)之一來(lái)進(jìn)行考量。實(shí)際上，聲頻電信號(hào)在音響設(shè)備中傳輸會(huì)帶來(lái)一定的相位失真，尤其是設(shè)備的頻率帶寬不足的情況下，電路本身對(duì)不同頻率（基波和各次諧波）的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同附加相移，從而引起信號(hào)的相位失真。如果設(shè)備中對(duì)聲頻信號(hào)處理中用上了（高通、低通、帶通、帶阻）濾波器或頻率均衡器（其實(shí)就是利用帶通濾波器來(lái)達(dá)到目的的）來(lái)調(diào)整信號(hào)的幅頻特性，那么產(chǎn)生的附加相移就會(huì)更嚴(yán)重，尤其是在截止頻率附近，其相位失真更嚴(yán)重。在空間傳輸過(guò)程中，不同頻率的聲波移動(dòng)相同的距離，產(chǎn)生的相位移是不同的，相移與頻率成正比，例如傳輸距離為3.4m，對(duì)于50Hz的聲波來(lái)說(shuō)是移動(dòng)了半個(gè)波長(zhǎng)（1π弧度，或者說(shuō)180°），對(duì)于100Hz的聲波來(lái)說(shuō)是移動(dòng)了1個(gè)波長(zhǎng)（2π弧度，或者說(shuō)360°），而對(duì)200Hz的聲波來(lái)說(shuō)是移動(dòng)了2個(gè)波長(zhǎng)（4π弧度，或者說(shuō)720°）。只有這樣才能使聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)傳輸后的波形不發(fā)生變化，即保持原來(lái)的音色。2

相位補(bǔ)償相位補(bǔ)償包括兩個(gè)方面：

（1）補(bǔ)償?shù)氖悄膬蓚€(gè)聲音源傳過(guò)來(lái)的聲波之間的相位差一般來(lái)說(shuō)，兩只揚(yáng)聲器產(chǎn)生的聲音之間的相位差與聽(tīng)音位置到這兩只揚(yáng)聲器的距離有關(guān)。如果聽(tīng)音位置到兩只揚(yáng)聲器的距離完全相等，則理論上應(yīng)該同時(shí)聽(tīng)到兩只揚(yáng)聲器所發(fā)出的同一聲音。從相位角度考慮，則是同相位的聲音。如果聽(tīng)音位置與兩只揚(yáng)聲器的距離不等，那么在聽(tīng)音位置就會(huì)先聽(tīng)到距離近的揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的聲音，后聽(tīng)到距離遠(yuǎn)的揚(yáng)聲器所產(chǎn)生的聲音，這種現(xiàn)象是普遍存在的。兩只揚(yáng)聲器的聲波在聽(tīng)音位置由于存在時(shí)間差而先后到達(dá)，出現(xiàn)各個(gè)頻率上不一致的相移（這是必然的，因?yàn)轭l率不同，波長(zhǎng)就不同，相位差也不同），引起聲波的干涉現(xiàn)象，造成梳狀濾波器效應(yīng)而改變音色。不同聽(tīng)音位置上兩個(gè)聲音中由于聲波傳輸距離的不同，各頻率產(chǎn)生了很多不同聲波的相位差，所以，要絕對(duì)地、完全地補(bǔ)償這種相位差是不可能的。

同一全頻帶揚(yáng)聲器中高頻揚(yáng)聲器單元和低頻揚(yáng)聲器單元由于安裝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問(wèn)題，也許值得考慮，但是既然一只單元產(chǎn)生高頻聲波，另一只單元產(chǎn)生低頻聲波，那么牽涉到相位差問(wèn)題的只是在分頻點(diǎn)附近。隨著頻率偏離分頻點(diǎn)，揚(yáng)聲器的兩只高低音單元所產(chǎn)生的聲壓大小不同，相互干涉的影響程度減小，偏離分頻點(diǎn)越遠(yuǎn)，兩個(gè)單元產(chǎn)生的聲壓相差就越大，那么干涉造成的影響就越小。

另外，低音揚(yáng)聲器單元的振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量比較大，慣性也比較大，或者說(shuō)瞬態(tài)特性比較差，也會(huì)引起分頻點(diǎn)附近高音單元和低音單元產(chǎn)生的聲波出現(xiàn)相位差問(wèn)題。當(dāng)然，如果彌補(bǔ)到高音單元和低音單元的聲波同時(shí)到達(dá)揚(yáng)聲器表面位置，情況會(huì)更好，所以不妨引入延遲來(lái)補(bǔ)償，這里補(bǔ)償?shù)氖菚r(shí)間差，而不是相位差（因?yàn)轭l率不同相位差也是不同的）。

（2）補(bǔ)償哪個(gè)頻率出現(xiàn)的相位差全通濾波器并不能對(duì)某個(gè)頻率的相移單獨(dú)進(jìn)行改變，例如僅僅對(duì)某個(gè)頻率的相移增大多少度或減少多少度是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。全通濾波器產(chǎn)生“群延遲”，可以作為延遲器來(lái)使用，會(huì)產(chǎn)生所謂的“線性相移”（實(shí)際上全通濾波器的相位移并不能完全呈現(xiàn)線性變化的），即隨著頻率的升高，相位移也線性地增大。2

應(yīng)用全通濾波器有很多用途。比如：?jiǎn)芜厧ㄓ嵵?，可以利用全通濾波器得到兩路正交的音頻信號(hào)，這兩路音頻信號(hào)分別對(duì)兩路正交的載波信號(hào)進(jìn)行載波抑制調(diào)制，然后疊加就能得到所需要的無(wú)載波的單邊帶調(diào)制信號(hào)。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李勇 - 副教授 - 西南大學(xué)