无限长数字滤波器.ppt
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1、第六章 IIR数字滤波器的设计,作业:5(2),9,10,本章思路:,滤波是信号处理中最为重要的方法,数字滤波器与模拟滤波器相比有很多优势IIR数字滤波器的设计有两种方法:间接设计法和直接设计法间接设计法借助模拟滤波器的设计方法来设计数字滤波器,是本章的重点所以本章内容:a.滤波的基本概念 b.模拟滤波器设计 c.模拟滤波器到数字滤波器的设计方法,6.1滤波的基本概念,滤波就是提取输入信号中的有用频率成分,抑制无用频率成分的信号处理过程。所谓数字滤波器,是指输入、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对比例,或者滤除某些频率成分的数字器件或程序。,所谓数字滤波器设计,就
2、是要找出满足滤波要求的系统的单位脉冲响应h(n),或者系统的系统函数H(z).,正因为数字滤波通过数值运算实现滤波,所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活、不存在阻抗匹配问题,可以实现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能。,傅立叶分析告诉我们,任何波形的时域信号都是由不同频率的正弦信号叠加形成的。,通过频域分析我们可以发现该波形是单一频率正弦波调制的双边带信号与宽带噪声干扰的叠加,双边带信号的载波频率为100 Hz,而干扰噪声的频率大于170 Hz,滤波器,模拟滤波器,数字滤波器,经典滤波器,根据滤波特性来分:低通;高通;带通;带阻(理想滤波器是不可实现的,只能在一定程度上去逼近),
3、从单位脉冲响应长度来分:IIR-DF;FIR-DF,现代滤波器,寻找在某种准则下的最优解维纳滤波器,卡尔曼滤波器,自适应滤波器,从对信号处理的作用来分:选频;其他,2 数字滤波器的技术指标常用的数字滤波器一般属于选频滤波器。假设数字滤波器的频率响应函数H(ej)用下式表示:H(ej)=|H(ej)|ej()式中,|H(ej)|称为幅频特性函数;()称为相频特性函数。幅频特性表示信号通过该滤波器后各频率成分振幅衰减情况,而相频特性反映各频率成分通过滤波器后在时间上的延时情况。因此,即使两个滤波器幅频特性相同,而相频特性不同,对相同的输入,滤波器输出的信号波形也是不一样的。,1.p和s分别称为通带
4、边界频率和阻带截止频率。,2.从p到s称为过渡带,过渡带上的频响一般是单调下降的,3.通带频率范围为0|p,在通带中要求(11)|H(ej)|1,阻带频率范围为s|,在阻带中要求|H(ej)|2。,片段常数特性:对于选频型滤波器,一般对通带和阻带内的幅频响应曲线形状没有具体要求,只要求其波纹幅度小于某个常数,通常将这种要求称为“片段常数特性”。所谓片段,是指“通带”和“阻带”,常数是指“通带波纹幅度1”和“阻带波纹幅度2”,而通带最大衰减p和阻带最小衰减s是与1和2完全等价的两个常数。片段常数特性概念在选频型滤波器设计中很重要,尤其有助于理解IIR数字滤波器的双线性变换设计思想。,图所示的单调
5、下降幅频特性,p和s别可以表示为如果将|H(ej0)|归一化为1,(6.1.3b)和(6.1.4b)式则表示为:,(6.1.3b),(6.1.4b),(6.1.5),(6.1.6),当幅度下降到 时,标记=c,此时 dB,称c为3 dB通带截止频率。p、c和s统称为边界频率,它们是滤波器设计中所涉及到的很重要的参数。对其他类型的滤波器,(6.1.3b)式和(6.1.4b)式中的H(ej0)应改成,0为滤波器通带中心频率。,FIR滤波器不能采用间接法,常用的设计方法有窗函数法、频率采样法和切比雪夫等波纹逼近法。,3 数字滤波器设计方法概述,IIR滤波器设计方法有间接法和直接法,间接法是借助于模拟
6、滤波器的设计方法进行的,其设计步骤是:先设计过渡模拟滤波器得到系统函数Ha(s),然后将Ha(s)按某种方法转换成数字滤波器的系统函数H(z)。,模拟高通、带通和带阻滤波器的设计过程是:先将希望设计的各种滤波器的技术指标转换为低通滤波器技术指标,然后设计相应的低通滤波器,最后采用频率转换法将低通滤波器转换成所希望的各种滤波器。,IIR滤波器设计方法,直接法,间接法,零极点累试法,频域幅度平方误差最小法,时域直接设计法,脉冲响应不变法,双线性变换法,6.2 模拟滤波器的设计巴特沃斯(Butterworth)滤波器:具有单调下降的幅频特性;切比雪夫(Chebyshev)滤波器:幅频特性在通带或者阻
7、带有等波纹特性,可以提高选择性;椭圆(Ellipse)滤波器:选择性是最好的,但通带和阻带内均呈现等波纹幅频特性,相位特性的非线性也稍严重。贝塞尔(Bessel)滤波器:通带内有较好的线性相位特性;,图6.2.1 各种理想模拟滤波器幅频特性,6.2.1 模拟低通滤波器的设计指标及逼近方法本书中,分别用ha(t)、a(s)、Ha(j)表示模拟滤波器的单位冲激响应、系统函数、频率响应函数,三者的关系如下:可以用ha(t)、Ha(t)、Ha(j)中任一个描述模拟滤波器,也可以用线性常系数微分方程描述模拟滤波器。但是设计模拟滤波器时,设计指标一般由幅频响应函数|Ha(j)|给出,而模拟滤波器设计就是根
8、据设计指标,求系统函数Ha(s)。,损耗函数的优点是对幅频响应|Ha(j)|的取值非线性压缩,放大了小的幅度,从而可以同时观察通带和阻带频响特性的变化情况。直接画出的损耗函数曲线图正好与幅频特性曲线形状相反,所以,习惯将A()曲线称为损耗函数,6.2.2 巴特沃斯低通滤波器的设计1 巴特沃斯低通模拟滤波器设计原理巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数|Ha(j)|2用下式表示:(6.2.7)式中,N称为滤波器的阶数。当=0时,|Ha(j)|=1;=c时,c是3 dB截止频率。在=c附近,随加大,幅度迅速下降。,幅度特性与和N的关系如图所示。幅度下降的速度与阶数N有关,N愈大,通带愈平坦,过渡带愈窄,
9、过渡带与阻带幅度下降的速度愈快,总的频响特性与理想低通滤波器的误差愈小。以s替换j,将幅度平方函数|Ha(j)|2写成s的函数:(6.2.8),(6.2.9)式中,k=0,1,2,2N-1。,S平面上有2N个极点等角距分布在半径为c的圆上,极点对称于实轴和虚轴,虚轴上无极点,N为奇数时实轴上有极点,N为偶数时实轴上没有 极点各极点之间的角距为,将极点表示式(6.2.13)代入(6.2.12)式,得到Ga(p)的分母是p的N阶多项式,用下式表示:(6.2.15)归一化原型系统函数Ga(p)的系数bk,k=0,1,N1,以及极点pk,可以由表6.2.1得到。另外,表中还给出了Ga(p)的因式分解形
10、式中的各系数,这样只要求出阶数N,查表可得到Ga(p)及各极点,而且可以选择级联型和直接型结构的系统函数表示形式,避免了因式分解运算工作。,表6.2.1 巴特沃斯归一化低通滤波器参数,1)计算阶数N和3 dB截止频率c的公式并考虑巴特沃斯滤波器的单调下降特性(边界频率点若满足指标,则其他频率点必然满足要求。)以及H(j0)=1,可以得到 由于巴特沃斯滤波器的幅度平方函数为,因此 上式两边取指数得到:,两式相除消去c,得到只有一个未知量N的方程:,令,则,请注意,如果采用(6.2.19)式确定c,则通带指标刚好满足要求,阻带指标有富余;如果采用(6.2.20)式确定c,则阻带指标刚好满足要求,通
11、带指标有富余。总结以上,低通巴特沃斯滤波器的设计步骤如下:(1)根据技术指标p、p、s和s,用(6.2.18)式求出滤波器的阶数N。(2)按照(6.2.13)式,求出归一化极点pk,将pk代入(6.2.12)式,得到归一化低通原型系统函数Ga(p)。也可以根据阶数N直接查表得到pk和Ga(p)。,(3)将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这里c为3 dB截止频率,如果技术指标没有给出c,可以按照(6.2.19)式或(6.2.20)式求出。【例6.2.1】已知通带截止频率fp=5 kHz,通带最大衰减 p=2 dB,阻带截止频率fs=12 kHz,阻带最小衰
12、减 s=30 dB,按照以上技术指标设计巴特沃斯低通滤波器。,(2)按照(6.2.13)式,其极点为按照(6.2.12)式,归一化低通原型系统函数为上式分母可以展开成五阶多项式,或者将共轭极点放在一起,形成因式分解式。这里不如直接查表6.2.1简单,由N=5直接查表得到:,极点:0.3090j0.9511,0.8090j0.5878,1.0000归一化低通原型系统函数为式中,b0=1.0000,b1=3.2361,b2=5.2361,b3=5.2361,b4=3.2361分母因式分解形式为以上公式中的数据均取小数点后四位。,(3)为将Ga(p)去归一化,先求3 dB截止频率c。按照(6.2.1
13、9)式,得到:将c代入(6.2.20)式,得到:,此时算出的比题目中给的s小,因此,过渡带小于指标要求。或者说,在s=212 krad/s时衰减大于30 dB,所以说阻带指标有富余量。将p=s/c代入Ga(p)中,得到:,6.2.3 切比雪夫滤波器的设计1 切比雪夫滤波器的设计原理巴特沃斯滤波器的频率特性曲线,无论在通带还是阻带都是频率的单调减函数。因此,当通带边界处满足指标要求时,通带内肯定会有较大富余量。因此,更有效的设计方法应该是将逼近精确度均匀地分布在整个通带内,或者均匀分布在整个阻带内,或者同时均匀分布在两者之内。这样,就可以使滤波器阶数大大降低。这可通过选择具有等波纹特性的逼近函数
14、来达到。,切比雪夫滤波器的幅频特性就具有这种等波纹特性。它有两种形式:振幅特性在通带内是等波纹的、在阻带内是单调下降的切比雪夫型滤波器;振幅特性在通带内是单调下降、在阻带内是等波纹的切比雪夫型滤波器。采用何种形式的切比雪夫滤波器取决于实际用途。图6.2.7(a)和(b)分别画出不同阶数的切比雪夫型和型滤波器幅频特性。,图6.2.7 不同阶数的切比雪夫型和型滤波器幅频特性,6.2.4 椭圆滤波器的设计椭圆(Elliptic)滤波器在通带和阻带内都具有等波纹幅频响应特性。由于其极点位置与经典场论中的椭圆函数有关,所以由此取名为椭圆滤波器。又因为在1931年考尔(Cauer)首先对这种滤波器进行了理
15、论证明,所以其另一个通用名字为考尔(Cauer)滤波器。椭圆滤波器的典型幅频响应特性曲线如图所示。,由图6.2.10(a)可见,椭圆滤波器通带和阻带波纹幅度固定时,阶数越高,过渡带越窄;由图6.2.10(b)可见,当椭圆滤波器阶数固定时,通带和阻带波纹幅度越小,过渡带就越宽。所以椭圆滤波器的阶数N由通带边界频率p、阻带边界频率s、通带最大衰减 p和阻带最小衰减 s共同决定。后面对五种滤波器的比较将证实,椭圆滤波器可以获得对理想滤波器幅频响应的最好逼近,是一种性能价格比最高的滤波器,所以应用非常广泛。,图6.2.10 椭圆滤波器幅频响应特性曲线,6.2.5 五种类型模拟滤波器的比较 前面讨论了四
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