第六章IIR濾波器的設(shè)計(jì)

第六章

IIR濾波器的設(shè)計(jì)主要內(nèi)容理解數(shù)字濾波器的基本概念掌握沖激響應(yīng)不變法、階躍響應(yīng)不變法掌握雙線性變換法掌握Butterworth、Chebyshev低通濾波器的特點(diǎn)了解利用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程了解利用頻帶變換法設(shè)計(jì)各種類型數(shù)字濾波器的方法6.1引言數(shù)字濾波器：

是指輸入輸出均為數(shù)字信號，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號所含頻率成分的相對比例或者濾除某些頻率成分的器件。

高精度、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活，不要求阻抗匹配，可實(shí)現(xiàn)特殊濾波功能。優(yōu)點(diǎn)：1、濾波器的基本概念（1）濾波器的功能濾波器的功能是對輸入信號進(jìn)行濾波以增強(qiáng)所需信號部分，抑制不要的部分。a）時(shí)域說明b）頻域說明（2）四種基本的濾波器

四種基本濾波器為低通（LP）、高通（HP）、帶通（BP）和帶阻濾波器（BRF）：（3）四種基本濾波器的數(shù)字表示低通高通帶通帶阻2、LP到其他濾波器的變換由LP實(shí)現(xiàn)的HPLP實(shí)現(xiàn)的BPLP實(shí)現(xiàn)的BRF3、濾波器的性能指標(biāo)帶寬：當(dāng)幅度降低到0.707時(shí)的寬度稱為濾波器的帶寬（3dB帶寬）通帶、阻帶與過渡帶：信號允許通過的頻帶為通帶，完全不允許通過的頻帶為阻帶，通帶與阻帶之間為過渡帶。滾降與滾降率：濾波器幅頻特性在過渡帶的衰減和衰減速度稱為滾降與滾降率。阻帶衰減：輸入信號在阻帶的衰減量帶內(nèi)平坦度：通帶和阻帶內(nèi)的平坦程度4、數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)步驟

數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)三個(gè)步驟:(1)

按要求確定濾波器的性能參數(shù)；

(2)用一個(gè)因果穩(wěn)定的離散線性移不變系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去逼近去逼近這一性能要求；

(3)用有限精度的運(yùn)算實(shí)現(xiàn)；實(shí)現(xiàn)可以采用通用計(jì)算機(jī)，也可以采用DSP。5、數(shù)字濾波器的技術(shù)要求選頻濾波器的頻率響應(yīng)：

為幅頻特性：表示信號通過該濾波器后各頻率成分的衰減情況

為相頻特性：反映各頻率成分通過濾波器后在時(shí)間上的延時(shí)情況

：通帶截止頻率

：阻帶截止頻率

：通帶容限

：阻帶容限阻帶：過渡帶：通帶：理想濾波器不可實(shí)現(xiàn)，只能以實(shí)際濾波器逼近通帶最大衰減：阻帶最小衰減：其中：當(dāng)時(shí)，稱為3dB通帶截止頻率6、表征濾波器頻率響應(yīng)的特征參量幅度平方響應(yīng)

的極點(diǎn)既是共軛的，又是以單位圓成鏡像對稱的H(z)的極點(diǎn)：單位圓內(nèi)的極點(diǎn)相位響應(yīng)相位響應(yīng)：群延遲響應(yīng)相位對角頻率的導(dǎo)數(shù)的負(fù)值若濾波器通帶內(nèi)=常數(shù)， 則為線性相位濾波器IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法先設(shè)計(jì)模擬濾波器，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器用一因果穩(wěn)定的離散LSI系統(tǒng)逼近給定的性能要求：即為求濾波器的各系數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)法

s平面逼近：模擬濾波器z平面逼近：數(shù)字濾波器6.2用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)思想： s平面z平面

模擬系統(tǒng)數(shù)字系統(tǒng)H(z)的頻率響應(yīng)要能模仿Ha(s)的頻率響應(yīng)， 即s平面的虛軸映射到z平面的單位圓因果穩(wěn)定的Ha(s)映射到因果穩(wěn)定的H(z)， 即s平面的左半平面Re[s]<0

映射到z平面的單位圓內(nèi)|z|<1設(shè)計(jì)方法：-沖激響應(yīng)不變法-階躍響應(yīng)不變法-雙線性變換法6.2沖激響應(yīng)不變法一、變換原理數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)h(n)

模仿模擬濾波器的單位沖激響應(yīng)ha(t)T—抽樣周期)()(nTxnxa=)()(nTynya=)()(nThnha=)(txa)(tya)(tha設(shè)則：從頻率響應(yīng)來看：數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)是模擬濾波器頻率響應(yīng)的周期延拓，周期為2p/T只有當(dāng)模擬濾波器的頻率響應(yīng)是帶限的，且?guī)抻谡郫B頻率以內(nèi)時(shí)，即才能使數(shù)字濾波器的頻響在折疊頻率以內(nèi)重現(xiàn)模擬濾波器的頻響而不產(chǎn)生混迭失真

實(shí)際系統(tǒng)不可能嚴(yán)格限帶，都會混迭失真，在|W|>Ws/2處衰減越快，失真越小當(dāng)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)以數(shù)字域頻率wc給定時(shí)，不能通過提高抽樣頻率來改善混迭現(xiàn)象二、模擬濾波器的數(shù)字化系數(shù)相同：極點(diǎn)：s平面z平面穩(wěn)定性不變：s平面

z平面當(dāng)T很小時(shí)，數(shù)字濾波器增益很大，易溢出，需修正令：則：試用沖激響應(yīng)不變法，設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器例：設(shè)模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為解：據(jù)題意，得數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：設(shè)T=1s，則模擬濾波器的頻率響應(yīng)：數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：保持線性關(guān)系：w=WT

線性相位模擬濾波器轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性相位數(shù)字濾波器頻率響應(yīng)混迭 只適用于限帶的低通、帶通濾波器h(n)完全模仿模擬濾波器的單位抽樣響應(yīng)ha(t)時(shí)域逼近良好沖激響應(yīng)不變法的優(yōu)缺點(diǎn)6.3階躍響應(yīng)不變法變換原理數(shù)字濾波器的階躍響應(yīng)g(n)

模仿模擬濾波器的階躍響應(yīng)ga(t)

T—抽樣周期階躍響應(yīng)不變法同樣有頻率響應(yīng)的混疊失真現(xiàn)象但比沖激響應(yīng)不變法要小。6.4雙線性變換法沖激響應(yīng)不變法、階躍響應(yīng)不變法：時(shí)域模仿逼近缺點(diǎn)是產(chǎn)生頻率響應(yīng)的混疊失真。為了克服這一缺點(diǎn)，采用雙線性變換法。使數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)與模擬濾波器的頻率響應(yīng)相似。一、變換原理及特點(diǎn)脈沖響應(yīng)不變法的映射是多值映射,導(dǎo)致頻率響應(yīng)交疊。改進(jìn)思路：先將s域平面壓縮到一個(gè)中介平面s1，然后再將s1映射到Z平面。為使模擬濾波器某一頻率與數(shù)字濾波器的任一頻率有對應(yīng)關(guān)系，引入系數(shù)c2）某一特定頻率嚴(yán)格相對應(yīng)：1）低頻處有較確切的對應(yīng)關(guān)系：特定頻率處頻率響應(yīng)嚴(yán)格相等，可以較準(zhǔn)確地控制截止頻率位置二、變換常數(shù)c的選擇三、逼近情況1） s平面虛軸z平面單位圓2）左半平面單位圓內(nèi) s平面z平面右半平面單位圓外虛軸單位圓上四、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：避免了頻率響應(yīng)的混迭現(xiàn)象s平面與z平面為單值變換

缺點(diǎn)：除了零頻率附近，W與w之間嚴(yán)重非線性2）要求模擬濾波器的幅頻響應(yīng)為分段常數(shù)型，不然會產(chǎn)生畸變1）線性相位模擬濾波器非線性相位數(shù)字濾波器分段常數(shù)型模擬濾波器經(jīng)變換后仍為分段常數(shù)型數(shù)字濾波器，但臨界頻率點(diǎn)產(chǎn)生畸變預(yù)畸變

給定數(shù)字濾波器的截止頻率w1，則按W1設(shè)計(jì)模擬濾波器，經(jīng)雙線性變換后，即可得到w1為截止頻率的數(shù)字濾波器五、模擬濾波器數(shù)字化方法可分解成級聯(lián)的低階子系統(tǒng)可分解成并聯(lián)的低階子系統(tǒng)6.5常用模擬低通濾波器特性將數(shù)字濾波器技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)變成模擬濾波器技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)模擬濾波器，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器模擬濾波器巴特沃斯Butterworth濾波器切比雪夫Chebyshev濾波器橢圓Ellipse濾波器貝塞爾Bessel濾波器1、由幅度平方函數(shù)確定模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)h(t)是實(shí)函數(shù)將左半平面的的極點(diǎn)歸Ha(s)將以虛軸為對稱軸的對稱零點(diǎn)的任一半作為Ha(s)的零點(diǎn)，虛軸上的零點(diǎn)一半歸Ha(s)Ha(s)Ha(-s)的零極點(diǎn)分布由幅度平方函數(shù)得象限對稱的s平面函數(shù)對比和，確定增益常數(shù)由零極點(diǎn)及增益常數(shù)，得例：解：極點(diǎn)：零點(diǎn)：（二階）零點(diǎn)：的極點(diǎn)：設(shè)增益常數(shù)為K01）巴特沃爾斯濾波器（Butterworth）2、常見模擬濾波器設(shè)計(jì)幅度平方函數(shù)：當(dāng)稱Wc為Butterworth低通濾波器的3分貝帶寬N為濾波器的階數(shù)Wc為通帶截止頻率1）幅度函數(shù)特點(diǎn)：

3dB不變性

通帶內(nèi)有最大平坦的幅度特性，單調(diào)減小

過渡帶及阻帶內(nèi)快速單調(diào)減小當(dāng)W＝Wst（阻帶截止頻率）時(shí)，衰減的d1為阻帶最小衰減Butterworth濾波器是一個(gè)全極點(diǎn)濾波器，其極點(diǎn)：2）幅度平方特性的極點(diǎn)分布：

極點(diǎn)在s平面呈象限對稱，分布在Buttterworth圓上，共2N點(diǎn)

極點(diǎn)間的角度間隔為

極點(diǎn)不落在虛軸上N為奇數(shù)，實(shí)軸上有極點(diǎn)，N為偶數(shù)，實(shí)軸上無極點(diǎn)Ha(s)Ha(-s)的零極點(diǎn)分布(a)N=3(三階）(b)N=4（四階）3）濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：為歸一化系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)去歸一化，得4）濾波器的設(shè)計(jì)步驟：根據(jù)技術(shù)指標(biāo)求出濾波器階數(shù)N：確定技術(shù)指標(biāo)：由得：同理：令則：求出歸一化系統(tǒng)函數(shù)：

或者由N，直接查表得其中技術(shù)指標(biāo)Wc給出或由下式求出：

其中極點(diǎn)：去歸一化阻帶指標(biāo)有富裕或通帶指標(biāo)有富裕例：設(shè)計(jì)Butterworth數(shù)字低通濾波器，要求在頻率低于0.2prad的通帶內(nèi)幅度特性下降小于1dB。在頻率0.3p到p之間的阻帶內(nèi)，衰減大于15dB。分別用沖激響應(yīng)不變法和雙線性變換法。1、用沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)1）由數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)：2）得模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)：選T=1sa）確定參數(shù)

用通帶技術(shù)指標(biāo)，使阻帶特性較好，改善混迭失真3）設(shè)計(jì)Butterworth模擬低通濾波器b)求出極點(diǎn)（左半平面）c)構(gòu)造系統(tǒng)函數(shù)或者b’)由N=6，直接查表得c’)去歸一化4）將Ha(s)展成部分分式形式:變換成Butterworth數(shù)字濾波器：用沖激響應(yīng)不變法設(shè)計(jì)出的Butterworth濾波器2、用雙線性變換法設(shè)計(jì)1）由數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)：2）考慮預(yù)畸變，得模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)：a）確定參數(shù)

用阻帶技術(shù)指標(biāo)，使通帶特性較好，因無混迭問題3）設(shè)計(jì)Butterworth模擬低通濾波器b)求出極點(diǎn)（左半平面）c)構(gòu)造系統(tǒng)函數(shù)或者b’)由N=6，直接查表得c’)去歸一化4）將Ha(s)變換成Butterworth數(shù)字濾波器：2）切貝雪夫?yàn)V波器（Chebyshev

）N：濾波器的階數(shù)Wc

：截止頻率，不一定為3dB帶寬0<e<1，表示通帶波紋大小，e越大，波紋越大CN(x)：N階Chebyshev多項(xiàng)式TypeIChebyshevN為偶數(shù)N為奇數(shù)

通帶內(nèi)：在1和間等波紋起伏

通帶外：迅速單調(diào)下降趨向0Chebyshev濾波器的三個(gè)參量：Wc

：通帶截止頻率，給定

e

：表征通帶內(nèi)波紋大小N：濾波器階數(shù)，等于通帶內(nèi)最大最小值的總數(shù)由通帶衰減決定阻帶衰減越大所需階數(shù)越高Ws為阻帶截止頻率TypeIIChebyshevfilter通帶內(nèi)：單調(diào)特性阻帶內(nèi)：等波紋起伏例：用雙線性變換法設(shè)計(jì)Chebyshev數(shù)字低通濾波器，要求在頻率低于0.2prad的通帶內(nèi)幅度特性下降小于1dB。在頻率0.3p到p之間的阻帶內(nèi)，衰減大于15dB。1）由數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)：2）考慮預(yù)畸變，得模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)：a）確定參數(shù)3）設(shè)計(jì)Chebyshev模擬低通濾波器b)求左半平面極點(diǎn)c)構(gòu)造系統(tǒng)函數(shù)c’)去歸一化b’)由N=4，直接查表得或者：4）將變換成Chebyshev數(shù)字濾波器：設(shè)計(jì)的四階Chebyshev濾波器橢圓濾波器(Ellipticfilter)

帶內(nèi)均勻波動最快的滾降貝塞爾濾波器（Bessel）*最大相位平坦特性小結(jié)：利用模擬濾波器設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器的步驟將數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)變成模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)

通帶截止頻率、通帶衰減

阻帶截