DSP 深度交互课程:线性相位 (Linear Phase)

原理 · 类比 · 波形 · 听觉 · 视觉 —— 全方位解析

1. 理论基础:数学定义与物理意义

定义: 如果一个系统的相位响应 $\theta(\omega)$ 是频率 $\omega$ 的线性函数:

$$ \theta(\omega) = -k \cdot \omega $$

则该系统具有线性相位

群延时 (Group Delay): 对相位求导的负数即为群延时:

$$ \tau_g(\omega) = -\frac{d\theta(\omega)}{d\omega} = k = \text{常数} $$

通俗解释: 线性相位意味着信号中所有的频率成分(无论是低频还是高频),都经历了完全相同的时间延迟。这保证了信号的波形“形状”不会发生改变。

2. 形象类比:仪仗队的行进

想象不同频率的信号是身高不同的人。我们要让他们保持队形从起点走到终点。

当前:线性相位

线性: 所有人速度协调一致,走了相同的时间,前进了相同的距离。队形(波形)保持整齐。

3. 信号实验室:波形是如何“畸变”的?

拖动滑块,观察相位对波形形状的影响。基波(蓝色)和谐波(紫色)叠加形成合成波(绿色/红色)。

模式:线性相位 (锁定)

* 线性模式下,群延时恒定,无法产生畸变。

4. 听觉实验:旋律中的“色散”

使用包含丰富谐波的锯齿波演奏《欢乐颂》。对比经过60级全通滤波器前后的声音。

等待播放...

听感:声音紧实、干脆。

听感:每个音符都有"Peww"的激光声/弹簧声(高频低频到达时间错乱)。

5. 视觉实验:彩色图像拖尾

对比两种低通滤波器对彩色测试卡边缘的影响。这直接解释了为什么图像处理偏爱 FIR 滤波器。

原始图像

效果:磨砂玻璃感。模糊是对称的,物体位置不变。

效果:运动模糊感。颜色向右溢出,产生严重拖尾。