低通滤波函数输出异常尖峰问题排查求助

已更换更清晰的图片以便更好地展示问题。我的低通滤波函数在信号每次经过“地电平”时都会产生奇怪的尖峰。已尝试多种输入范围（-1 - 1）、（-127 - 128）、（0 - 255），低通滤波功能正常，但这些尖峰始终存在。

这并非显示问题，我已将数据写入文件并在Audacity中打开，显示结果一致。

数据通过SDL2从WAV文件加载并转换为8位单声道格式。我希望该函数读取wav_buffer中的数据，应用低通滤波后复制到loud_buffer中。

相关代码 #

// for reference
Uint8 *wav_buffer;
int wav_length;
Uint8 *loud_buffer;
const int filter_cutoff = 2000;
const int sRate = 44100;

void low_pass()
{
    float prevOutput = 0;
    float prevInput = 0;
    float x = tanf(M_PI * filter_cutoff / sRate);
    float output;
    for (int p = 0; p < wav_length; p++)
    {
        output = x * wav_buffer[p] + x * prevInput - (x-1) * prevOutput;
        output /= (x+1);
        loud_buffer[p] = output;
        prevOutput = output;
        prevInput = wav_buffer[p];
    }
}

数据对比 #

原始wav_buffer数据（正常）：

经过low_pass处理后的loud_buffer数据（存在尖峰）：

问题解决 #

问题根源在于8位单声道WAV的无符号格式未正确转换，以及初始状态设置不合理：

1. 8位WAV的Uint8是无符号值，范围0-255，实际音频的“地电平”是128而非0。直接用原始值参与滤波会引入128的直流偏移，导致滤波算法在信号跨越128时产生异常尖峰。
2. 初始prevInput和prevOutput设为0，与实际信号的直流基线（128）不匹配，加剧了瞬态尖峰。

修改后的函数如下：

void low_pass()
{
    if (wav_length == 0) return;

    // 转换第一个输入为有符号值，初始化状态匹配信号基线
    float prevInput = wav_buffer[0] - 128.0f;
    float prevOutput = prevInput;
    float x = tanf(M_PI * filter_cutoff / (float)sRate);
    float a = x / (x + 1.0f);
    float b = (x - 1.0f) / (x + 1.0f);

    // 处理第一个样本
    loud_buffer[0] = (Uint8)(prevOutput + 128.0f + 0.5f);

    for (int p = 1; p < wav_length; p++)
    {
        float input = wav_buffer[p] - 128.0f;
        float output = a * input + a * prevInput - b * prevOutput;
        // 转换回无符号格式并四舍五入，避免截断误差
        loud_buffer[p] = (Uint8)(output + 128.0f + 0.5f);
        prevOutput = output;
        prevInput = input;
    }
}

关键修改点：

• 将无符号输入转换为以128为0点的有符号浮点值，消除直流偏移影响
• 初始状态设为第一个转换后的输入值，匹配信号基线，避免初始瞬态
• 处理后输出转换回无符号格式时添加0.5做四舍五入，减少截断带来的误差

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Jake A