滤波方法及python实现

对滤波的总结对特定频率进行有效提取,并对提取部分进行特定的处理(增益,衰减,滤除)的动作被叫做滤波。

最常用的滤波器类型有三种:通过式(Pass),搁架式(Shelving)和参量式(Parametric)。滤波器都有一个叫参考频率(Reference Frequency)的东西,在不同类型的滤波器中,具体的叫法会有所不同。

通过式滤波器可以让参考频率一侧的频率成分完全通过该滤波器,同时对另一侧的频率成分做线性的衰减,就是,一边让通过,一边逐渐被滤除。在信号学中,通过的区域被称为通带,滤除的区域被叫做阻带,在通过式滤波器中,参考频率通常被称为截止频率。


高通滤波器(high-pass filters):让截止频率后的高频区域通过,另一侧滤除,低通滤波器(low-pass filters):让截止频率前的低频区域通过,另一侧滤除,通

以下是高通滤波器与低通滤波器的核心参数:


截止频率(Cut-off frequency):决定了通带(通过的频率部分)与阻带(阻止的频率部分)的分界曲线,截止频率的位置并非是在曲线开始弯曲的那个点,而是在-3dB的位置。以图2左侧的高通滤波器为例,截止频率点之上的部分频率并没有全部被通过,而是有个曲线,在曲线回归平直后其频率才被完全通过。至于为什么要将-3dB的位置设为截止频率,是因为-3dB对于滤波器的设计而言是个非常重要的位置,如果设为其他位置,则会让通过式滤波器的设计变得尤为复杂。

斜率(Slope):表示的是通带与阻带的分界曲线的倾斜程度,也就是说斜率决定了分界曲线是偏向平缓的,还是偏向垂直的,斜率越大(更陡峭),人工处理的痕迹就越明显。斜率的单位为dB/oct,中文称为分贝每倍频程。虽然绕口,但其实很简单,如6dB/oct,意思为一个倍频程的距离会产生6dB的衰减,数字滤波器常见的斜率选择有6dB/oct,12dB/oct,18dB/oct,24dB/oct,30dB/oct等等(图3)。

另外,倍频程其实在P7中有提及到,在此再次说明一下,在频谱图上,两个音程关系为八度的音之间的频率点的距离被称为倍频程,如标准音A为440Hz,其相对高八度音的A(高音A)为880Hz,那么440Hz到880Hz就是一个倍频程的关系。以上纯概念的东西搞清楚了之后,我们再举例说说斜率是怎样影响音色的,如一个截止频率为800hz的低通滤波器,斜率24dB/oct就会比6dB/oct的声音更闷,因为24dB/oct的斜率更加陡峭,高频被滤除的更加干净,所以声音就更加闷(人工处理的痕迹就更明显)。

scipy.signal滤波函数

scipy.signal.filtfilt(b, a, x, axis=-1, padtype='odd', padlen=None, method='pad', irlen=None)

输入参数:
  • b: 滤波器的分子系数向量
  • a: 滤波器的分母系数向量
  • x: 要过滤的数据数组。(array型)
  • axis: 指定要过滤的数据数组x的轴
  • padtype: 必须是“奇数”、“偶数”、“常数”或“无”。这决定了用于过滤器应用的填充信号的扩展类型。{‘odd’, ‘even’, ‘constant’, None}
  • padlen:在应用滤波器之前在轴两端延伸X的元素数目。此值必须小于要滤波元素个数- 1。(int型或None)
  • method:确定处理信号边缘的方法。当method为“pad”时,填充信号;填充类型padtype和padlen决定,irlen被忽略。当method为“gust”时,使用古斯塔夫森方法,而忽略padtype和padlen。{“pad” ,“gust”}
  • irlen:当method为“gust”时,irlen指定滤波器的脉冲响应的长度。如果irlen是None,则脉冲响应的任何部分都被忽略。对于长信号,指定irlen可以显著改善滤波器的性能。(int型或None)

.滤波器构造函数(仅介绍Butterworth滤波器)

scipy.signal.butter(N, Wn, btype='low', analog=False, output='ba')

输入参数:
  • N:滤波器的阶数,就是指过滤谐波的次数,一般来讲,同样的滤波器,其阶数越高,滤波效果就越好,但是,阶数越高,成本也就越高
  • Wn:归一化截止频率。计算公式Wn=2截止频率/采样频率。注意:根据采样定理,采样频率要大于两倍的信号本身最大的频率,才能还原信号截止频率一定小于信号本身最大的频率,所以Wn一定在0和1之间)。当构造带通滤波器或者带阻滤波器时,Wn为长度为2的列表。

这里假设采样频率为1000hz,信号本身最大的频率为500hz,要滤除10hz以下和400hz以上频率成分,即截至频率为10hz和400hz,则wn1=2*10/1000=0.02,wn2=2*400/1000=0.8。Wn=[0.02,0.8]

  • btype : 滤波器类型{‘lowpass’, ‘highpass’, ‘bandpass’, ‘bandstop’},
  • output : 输出类型{‘ba’, ‘zpk’, ‘sos’},
输出参数:
  • b,a: IIR滤波器的分子(b)和分母(a)多项式系数向量。output='ba'
  • z,p,k: IIR滤波器传递函数的零点、极点和系统增益. output= 'zpk'
  • sos: IIR滤波器的二阶截面表示。output= 'sos'
  b, a = signal.butter(5, 4*2/30, 'low')
  #b, a = signal.butter(5, [0.2*2/20, 5*2/20], "bandpass")
  data = signal.lfilter(b, a, data_csi) 
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