完全解读低通滤波，并且用其C语言实现-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了完全解读低通滤波，并且用其C语言实现。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1、什么是低通滤波

低通滤波是一种信号处理技术，它可以用于去除高频信号成分，只保留低频信号成分。低通滤波器的本质是一个线性时不变系统，它可以通过差分方程或者频域响应的形式来描述。

在差分方程的形式下，低通滤波器可以表示为：

$y[n] = b_0 x[n] + b_1 x[n-1] + b_2 x[n-2] - a_1 y[n-1] - a_2 y[n-2]$

其中， $x [n]$ 是输入信号， $y [n]$ 是输出信号， $b_0, b_1, b_2$ 是前向系数， $a_1, a_2$ 是反馈系数。这个差分方程表示了一个一阶或二阶低通滤波器，它可以对输入信号进行滤波，输出信号是输入信号的低频成分。

在频域响应的形式下，低通滤波器可以表示为：

$\frac{1}{1+j\frac{f}{f_c}}$

其中， $f$ 是频率， $f_c$ 是截止频率。这个频域响应表示了一个一阶低通滤波器的幅度响应，它可以对输入信号进行滤波，输出信号是输入信号的低频成分。

低通滤波器的实现方式有很多种，包括RC滤波器、Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器等。它们的特点和应用场景不同，需要根据具体的需求来选择合适的滤波器。

2、RC低通滤波

RC低通滤波器是一种简单的低通滤波器，它由一个电阻和一个电容组成。它的原理是通过电容器的充放电过程来实现低通滤波。

在RC低通滤波器中，输入信号通过电阻接到电容的一端，电容的另一端接地。当输入信号发生变化时，电容器开始充放电，电容器的电压随着时间的变化而变化。由于电容器对高频信号的响应较弱，所以高频信号会被滤除，只有低频信号能够通过电容器，输出信号就是输入信号的低频成分。

RC低通滤波器的截止频率可以通过下面的公式计算：

$f_c = \frac{1}{2\pi RC}$

其中， $f_c$ 是截止频率， $R$ 是电阻的阻值， $C$ 是电容的电容值。当频率等于截止频率时，电容器的阻抗等于电阻的阻值，此时输入信号的功率被分成一半，输出信号的功率也被分成一半，即20dB的衰减。

RC低通滤波器的特点是简单、易于实现，但是截止频率的变化范围较小，只能用于处理低频信号。此外，它的输出信号存在相位延迟，会对信号的时间性能产生影响。

3、转化为差分方程

RC滤波器的输入输出关系可以表示为：

$V_{out}(t) = \frac{1}{RC}\int_{0}^{t} V_{in}(\tau) d\tau$

为了将其转化为差分方程的形式，我们可以将积分符号替换为差分符号，即：

$V_{out}[n] = \frac{1}{RC}\sum_{k=0}^{n} V_{in}[k] \Delta t$

其中， $V_{in}[k]$ 是输入信号在时刻 $k$ 的取值， $\Delta t$ 是采样时间间隔。将上式进行变形，得到：

$RCV_{out}[n] = V_{in}[n]\Delta t + V_{out}[n-1]$

这就是RC滤波器的差分方程形式。其中， $R C$ 是滤波器的时间常数，它等于电阻 $R$ 和电容 $C$ 的乘积。差分方程表示了一个一阶低通滤波器，可以用于去除输入信号的高频成分，保留低频成分，输出信号是输入信号的低通滤波结果。

4、C语言实现

C语言代码实现低通滤波器：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>

#define PI 3.14159265358979323846

double filter(double input, double prev_output, double prev_input, double cutoff_freq, double sample_rate) {
    double RC = 1.0 / (2.0 * PI * cutoff_freq);
    double alpha = 1.0 / (1.0 + RC * sample_rate);
    double output = alpha * (input + prev_input) + (1 - alpha) * prev_output;
    return output;
}

int main() {
    double input_signal[] = {1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0};
    double output_signal[10];
    double prev_output = 0.0;
    double prev_input = 0.0;
    double cutoff_freq = 1000.0; // 1 kHz
    double sample_rate = 44100.0; // 44.1 kHz
    int i;

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        output_signal[i] = filter(input_signal[i], prev_output, prev_input, cutoff_freq, sample_rate);
        prev_output = output_signal[i];
        prev_input = input_signal[i];
    }

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%f\n", output_signal[i]);
    }

    return 0;
}