IIR数字滤波器的设计.ppt
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1、第6章 无限脉冲响应数字滤波器的设计,6.1 数字滤波器的基本概念6.2 模拟滤波器的设计6.3 用脉冲响应不变法设计IIR数字低通滤波器6.4 用双线性变换法设计IIR数字低通滤波器6.5 数字高通、带通和带阻滤波器的设计,模拟滤波器:(1)无源滤波器:由无源元件R、L和C组成。(2)有源滤波器:由R、C和集成运放组成。优点:不需要电感、体积小、重量轻。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。缺点:集成运放带宽有限,有源滤波电路的工作频率难以做得很高。数字滤波器:输入、输出均为数字信号,通过数值运算处理改变输入信号所含频率成分的相
2、对比例,或者滤除某些频率成分的数字器件或程序。(1)经典滤波器:输入信号中有用的频率成分和希望滤除的频率成分各占不同的频带,通过一个合适的选频滤波器滤除干扰,得到纯净信号。(2)现代滤波器:信号和干扰的频谱互相重叠,根据随机信号的相关统计特性,在某种最佳准则下,最大限度地抑制干扰,同时,最大限度地恢复信号。,一、经典数字滤波器的分类1.按照滤波器的工作频带分类低通、高通、带通、带阻2.按照单位脉冲响应长度分类IIR、FIR IIR滤波器:无限长单位脉冲响应滤波器(Infinite Impulse Response)系统的单位脉冲响应h(n)延伸到无穷长 FIR滤波器:有限长单位脉冲响应滤波器(
3、Finite Impulse Response)系统的单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列,6.1 数字滤波器的基本概念,【例1.4.1】一阶系统的差分方程为y(n)=x(n)+ay(n-1),|a|1,a为实数。,系统单位脉冲响应为h(n)=anu(n),属于IIR系统。,【例2】系统的差分方程为,令,则,IIR和FIR的系统函数及其相应的差分方程,(1)N阶IIR滤波器,(2)M阶FIR滤波器,二、数字滤波器的技术指标,6.2 模拟滤波器的设计,常用模拟滤波器及其特点:巴特沃斯(Butterworth)滤波器:其特点是从通带中心向两边幅频特性单调下降。切比雪夫型(Chebyshev)滤波器
4、:通带内有等波纹幅频特性函数,阻带内有单调下降的幅频特性函数。切比雪夫型(Chebyshev)滤波器:通带内有单调下降的幅频特性函数,阻带内有等波纹幅频特性函数。椭圆滤波器(又称考尔(Cauer)滤波器或双切比雪夫滤波器):通带和阻带内均有等波纹幅频特性。贝塞尔(Bessel)滤波器:其特点是在0附近逼近线性相位特性。,理想模拟滤波器幅频特性,实际模拟滤波器幅频特性,6.2 模拟滤波器的设计,一、模拟低通滤波器的设计思路二、巴特沃斯低通滤波器的设计三、切比雪夫滤波器的设计四、椭圆滤波器的设计五、几种模拟滤波器的比较六、频率变换与模拟高通、带通、带阻滤波器的设计,一、模拟低通滤波器的设计思路,频
5、率响应函数幅值平方,系统函数 Ha(s),组织电路(无源或有源),设计指标,二、巴特沃斯模拟低通滤波器的设计,1.设计原理分析,如何求N和c,(1),(2),(3),2.巴特沃斯模拟低通滤波器的设计步骤,(1)根据技术指标p、s、p、s,用式 求出阶数N。,(2)按照式,求出归一化极点pk,将pk代入,得归一化低通原型系统函数Ga(p)。可以根据阶数N 直接查表得到pk和Ga(p)。,(3)Ga(p)去归一化。将p=s/c代入Ga(p),得到实际的滤波器系统函数Ha(s)。,(4)如果技术指标没有给出c,可以按照式 或 式 求出。,3.巴特沃斯模拟低通滤波器设计举例,【例 6.2.1】已知fp
6、=5kHz,p=2dB,fs=12kHz,s=30dB。设计巴特沃斯模拟低通滤波器。,(1)确定阶数N,(2)求归一化极点pk,接着求Ga(p),(3)去归一化,得Ga(s),4.用MATLAB工具箱函数设计Butterworth滤波器,(1)Z,P,K=buttap(N),(2)N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As),(3)N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s)计算Butterworth模拟滤波器的阶数N和3dB截止频率wc。wp,ws和 wc是实际的模拟角频率(rad/s)。,(4)B,A=butter(N,wc,ftype)计算N阶Butterworth数字滤
7、波器系统函数分子和分母多项式的系数 向量B和A。由系数向量B和A写出数字滤波器的系统函数为:,(5)B,A=butter(N,wc,ftype,s)计算Butterworth模拟滤波器系统的分子和分母多项式的系数向量B 和A。由系数向量B和A写出模拟滤波器的系统函数为,【例 6.2.2】已知fp=5kHz,p=2dB,fs=12kHz,s=30dB。调用buttord和butter设计巴特沃斯模拟低通滤波器。,wp=2*pi*5000;ws=2*pi*12000;Rp=2;As=30;%设置滤波器参数N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s)%计算滤波器阶数N和3dB截止频率wcB
8、,A=butter(N,wc,s)%计算滤波器系统函数分子分母多项式系数%以下画图fk=0:12000/512:12000;wk=2*pi*fk;Hk=freqs(B,A,wk);%求模拟滤波器的频率响应plot(fk/1000,20*log10(abs(Hk);grid on;xlabel(频率(kHz);ylabel(幅度(dB)axis(0,12,-40,5),三、切比雪夫滤波器的设计,1.切比雪夫低通滤波器的设计原理,2.用MATLAB设计切比雪夫滤波器 1)切比雪夫I型(1)Z,P,K=cheb1ap(N,Rp)(2)N,wpo=cheb1ord(wp,ws,Rp,As)(3)N,w
9、po=cheb1ord(wp,ws,Rp,As,s)%wpo:通带截止频率(4)B,A=cheby1(N,Rp,wpo,ftype)(5)B,A=cheby1(N,Rp,wpo,ftype,s)2)切比雪夫II型(1)Z,P,G=cheb2ap(N,Rs)(2)N,wso=cheb2ord(wp,ws,Rp,As)(3)N,wso=cheb2ord(wp,ws,Rp,As,s)%wso:阻带截止频率(4)B,A=cheby2(N,Rs,wso,ftype)(5)B,A=cheby2(N,Rs,wso,ftype,s),【例6.2.3】,四、椭圆滤波器的设计,1.椭圆低通滤波器的设计原理,2.用
10、MATLAB设计椭圆滤波器(1)Z,P,K=ellipap(N,Rp,As)(2)N,wpo=ellipord(wp,ws,Rp,As)(3)N,wpo=ellipord(wp,ws,Rp,As,s)%wpo:通带截止频率(4)B,A=ellip(N,Rp,wpo,ftype)(5)B,A=ellip(N,Rp,As,wpo,ftype,s),【例6.2.4】设计椭圆模拟低通滤波器,要求通带截止频率fp=3kHz,通带最大衰减p=0.1dB,阻带截止频率fs=12kHz,阻带最小衰减s=60dB。,wp=2*pi*3000;ws=2*pi*12000;Rp=0.1;As=60;N,wpo=el
11、lipord(wp,ws,Rp,As,s)B,A=ellip(N,Rp,As,wpo,s)%以下画图fk=0:12000/512:12000;wk=2*pi*fk;Hk=freqs(B,A,wk);plot(fk/1000,20*log10(abs(Hk);grid on;xlabel(频率(kHz);ylabel(幅度(dB)axis(0,12,-80,5),五、几种模拟滤波器的比较,当阶数N相同,对相同的通带最大衰减p和阻带最小衰减s(1)巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性,过渡带最宽。(2)切比雪夫I型和II型滤波器的过渡带相等,比巴特沃斯滤波器的过渡带窄,但比椭圆滤波器的过渡带宽。切
12、比雪夫I型滤波器在通带具有等波纹幅频特性,过渡带和阻带是单调下降的幅频特性。切比雪夫II型滤波器的通带幅频响应几乎与巴特沃斯滤波器相同,阻带是等波纹幅频特性。(3)椭圆滤波器的过渡带最窄,通带和阻带均是等波纹幅频特性。在满足幅频响应指标的条件下希望滤波器阶数最低时,应当选择椭圆滤波器。,六、频率变换与模拟高通、带通、带阻滤波器的设计,图6.2.12 各种滤波器幅频特性曲线及边界频率示意图,六、频率变换与模拟高通、带通、带阻滤波器的设计,高通、带通和带阻滤波器的传输函数可以通过频率变换,分别由低通滤波器的传输函数求得,不论设计哪一种滤波器,都可以先将该滤波器的技术指标转换为低通滤波器的技术指标,
13、按照该技术指标先设计低通滤波器,再通过频率变换,将低通滤波器的传输函数转换成所需类型的滤波器传输函数。,1.从低通到高通的频率变换,低通滤波器传输函数用G(s)表示,s=j,归一化频率用表示;p=j,p称为 归一化拉氏复变量,G(p)称为归一化传输函数。,高通/带通/带阻滤波器传输函数用H(s)表示,s=j,归一化频率用表示;q=j,q称为归一化拉氏复变量,H(q)称为归一化传输函数。,1)模拟高通滤波器的设计步骤:,(1)确定高通滤波器的技术指标:ph、sh、p、s,(2)确定相应低通滤波器的设计指标:按照频率变换公式=1/,将归一化的高通滤波器的边界频率(对ph归一化)转换成归一化的低通滤
14、波器的边界频率:,(3)设计归一化低通滤波器G(p),(4)求模拟高通滤波器的H(s)。将G(p)按照频率变换公式p=1/q,转换成归一化高通H(q),为去归一化,将q=s/ph代入H(q)中,得,2)用MATLAB工具箱函数直接设计模拟高通滤波器,%方法一:先设计模拟低通滤波器,经频率变换转为高通滤波器wp=1;ws=2;%低通滤波器指标参数Rp=3;As=15;N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s);B,A=butter(N,wc,s)%设计G(p)wph=2*pi*200;%模拟高通滤波器通带边界频率wphBH,AH=lp2hp(B,A,wph)%低通到高通转换,%方法二
15、:调用函数buttord 和butter直接设计巴特沃斯高通滤波器wp=2*pi*200;ws=2*pi*100;%高通滤波器指标参数Rp=3;As=15;N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s)BH,AH=butter(N,wc,high,s),【例6.2.5】设计巴特沃斯模拟高通滤波器,fph=200Hz,fsh=100Hz,ap=3dB,as=15dB。,2.从低通到带通的频率变换,由与的对应关系,得到频率变换公式:,1)模拟带通滤波器的设计步骤:,(1)确定模拟带通滤波器的技术指标,即:pu,pl,sl,su,通带中心频率02=pl pu,通带宽度B=pu-pl。对应的归
16、一化频率为:,(2)确定归一化模拟低通技术要求:,(3)设计归一化模拟低通G(p),(4),s取绝对值小的,2)用MATLAB工具箱函数直接设计模拟带通滤波器,【例6.2.6】设计巴特沃斯模拟带通滤波器,要求fpl=4kHz,fph=7kHz,fsl=2kHz,fsu=9kHz,p=1dB,s=20dB。,%调用函数buttord 和butter直接设计巴特沃斯带通滤波器wp=2*pi*4000,7000;ws=2*pi*2000,9000;Rp=1;As=20;N,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s)BB,AB=butter(N,wc,s);%以下绘图fk=0:15000/20
17、48:15000;wk=2*pi*fk;Hk=freqs(BB,AB,wk);plot(fk/1,20*log10(abs(Hk);grid on;xlabel(频率(Hz);ylabel(幅度(dB);axis(0,15000,-80,5);,3.从低通到带阻的频率变换,由与的对应关系,得到频率变换公式:,1)模拟带阻滤波器的设计步骤:,(1)确定模拟带阻滤波器的技术指标,即:pu,pl,sl,su,阻带中心频率02=sl su,阻带宽度B=su-sl。对应的归一化频率为:,(2)确定归一化低通技术要求,求p和s。,(3)设计归一化低通G(p),(4),2)用MATLAB工具箱函数直接设计模
18、拟带阻滤波器,【例6.2.7】分别设计巴特沃斯、椭圆模拟带阻滤波器,要求fsl=4kHz,fsu=7kHz,fpl=2kHz,fpu=9kHz,p=1dB,s=20dB。,wp=2*pi*2000,9000;ws=2*pi*4000,7000;Rp=1;As=20;Nb,wc=buttord(wp,ws,Rp,As,s);BSb,ASb=butter(N,wc,stop,s);Ne,wep=ellipord(wp,ws,Rp,As,s);BSe,ASe=ellip(Ne,Rp,As,wep,stop,s);%以下绘图subplot(1,2,1);fk=0:12000/2048:12000;wk
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