本页使用了标题或全文手工转换

抗混叠滤波器

维基百科,自由的百科全书
跳到导航 跳到搜索

抗混叠滤波器(英语:Anti-aliasing filter,缩写AAF)是一种放在信号采样器之前的滤波器,用来在一个重点波段上限制信号带宽,以求大致或完全地满足采样定理。此定理表示,当在奈奎斯特频率之上的频率功率为零时,从其信号的采样可实现无模糊重建[注 1]。现实中的抗混叠滤波器会在带宽混叠之间取舍。可实现的抗混叠滤波器一般允许出现一些混叠,或者减弱一些靠近奈奎斯特极限[注 2]的频内频率[注 3]。因此,许多实用的系统采样会高出实际的需求,以保证所有的重点频率都可重建,这种实践的方式称为过采样

光学应用[编辑]

光学影像采样(如数字相机图像传感器)中,抗混叠滤波器也称为光学低通滤波器(Optical low-pass filter)、模糊滤镜(Blur filter)或AA滤波器。二维空间的采样数学上与时域采样类似,但滤波器建置技术不同。数字相机的建置方式通常是用两层双折射物质(如铌酸锂),使一个光点(Optical point)传播形成一组四点光点。[1]

这类的滤波器污点分离[注 4]方式的选择需要对锐度,混叠,以及填充因子[注 5]进行取舍。在单色3CCD英语Three-CCD camera(用三层感光耦合组件做成的滤色数组)和Foveon X3相机里,单独使用微透镜数组,假使接近100%有效的话,就能提供十分显著的抗混叠效果,[2] 使用彩色滤色数组英语Color filter array(如拜尔滤色镜)的相机,通常需要再加一个滤波器,以将混叠减少至可接受的程度。[3]

理光Pentax K-3相机采用了独特的基于感应器的抗混叠滤波器。这个滤波器运作方式是微微振动感应器组件。用户可以将此振动开启或关闭,以选择是否需要抗混叠。[4]

声频应用[编辑]

抗混叠滤波器普遍地用于数字信号处理[注 6]系统的模拟数字转换器(ADC)上;类似的滤波器也用于这类系统输出端的重建滤波器[注 7],例如媒体播放器里。输出端应用抗混叠滤波器能防止影像形成[注 8](即混叠的逆过程,将频内频率镜射到频外)。

过采样[编辑]

有种叫做过采样的技术普遍使用在音频模拟数字转换器(ADC)上。原理是使用较高的中间数字采样率,以便几近理想化的数字滤波器Digital filter)可以锐利地截下靠近原来较低奈奎斯特频率的混叠,并且较简单的模拟滤波器英语Analogue filter可以截止现在较高奈奎斯特频率之上的频率,因为模拟滤波器价格较高但表现差强人意,放宽对模拟滤波器的要求可以在减少混叠的同时降低成本。此外,因为某些噪点Noise)在信号平均后消失,提高采样率能稍稍改善信噪比SNR)。

还有一种做法是故意对信号过采样而没有中间频率,这是为了减少对抗混叠滤波器上的要求。例如,光盘音源频率一般到20kHz为止,但采样却达到22.05kHz的奈奎斯特率。由于过采样多出2.05kHz,不用最佳滤波器也能避免混叠和高频衰减。

带通信号[编辑]

通常抗混叠滤波器都是低通滤波器,但也不尽如此。采样定理的推广允许采样除基带信号之外的其它有限频段[注 9]通带Passband)信号。

若信号有带宽限制,但中心不是与零对齐,带通滤波器能当抗混叠滤波器使用,例如可用于单边带调制频率调制的信号。假如要对中心在87.9MHz,带宽为200kHz的调频广播进行采样,可以用带宽200kHz,中心对齐87.9MHz(即通带87.8MHz到88.0MHz)的抗混叠滤波器,而且采样率不能小于400KHz,但也应该要满足其它限制以避免混叠。

信号重载[编辑]

使用抗混叠滤波器时,避免输入信号重载(Signal overload)是非常重要的。假如信号够强,即使过滤之后也会造成模拟数字转换器出现截断[注 10]。当抗混叠滤波器之后的截断造成有损时,会产生抗混叠过滤器通带之外的分量,这些分量会有混叠,造成其它不合谐的频率。

相关条目[编辑]

备注[编辑]

  1. ^ 英文原名为Unambiguous reconstruction
  2. ^ 英文原名为Nyqist limit
  3. ^ 英文原名为In-band frequency
  4. ^ 英文原名为Spot separation
  5. ^ 英文原名为Fill factor,即微透镜数组Microlens array)的活动反射区(Active refracting area)和此数组占据的全部连续区域(Total contiguous area)的比率
  6. ^ 英文原名为Digital signal processing
  7. ^ 英文原名为Reconstruction filter
  8. ^ 英文原名为imaging
  9. ^ 英文原名为Band-limited
  10. ^ 英文原名为Clipping,或译作消音

参考资料[编辑]

  1. ^ Adrian Davies and Phil Fennessy. Digital imaging for photographers Fourth. Focal Press. 2001. ISBN 0-240-51590-0. 
  2. ^ S. B. Campana and D. F. Barbe. Tradeoffs between aliasing and MTF. Proceedings of the Electro-Optical Systems Design Conference – 1974 West International Laser Exposition – San Francisco, Calif., November 5-7, 1974. Chicago: Industrial and Scientific Conference Management, Inc. 1974: 1–9. 
  3. ^ Michael Goesele. New Acquisition Techniques for Real Objects and Light Sources in Computer Graphics. Books on Demand. 2004: 34. ISBN 978-3-8334-1489-3. 
  4. ^ Pentax K-3. [November 29, 2013].