數(shù)字濾波器基礎(chǔ)

數(shù)字濾波器基礎(chǔ)第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五主要內(nèi)容濾波器基礎(chǔ)

典型模擬濾波器的設(shè)計(jì)無限沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有限沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

濾波器，是對(duì)輸入信號(hào)起到濾波的作用。提取有用信號(hào)，抑制不需要的干擾；把信號(hào)分成不同的頻率分量；信號(hào)檢測(cè)及信號(hào)估計(jì)。經(jīng)典濾波現(xiàn)代濾波：第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五3.1濾波器概述一、濾波器基本原理

1濾波器：對(duì)輸入信號(hào)起濾波作用。h(n)x(n)y(n)第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五則LTI(LinearTimeInvariant)系統(tǒng)的輸出為：第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五假定輸入信號(hào)x(n)中的有用成分和希望去除的成分，各自占有不同的頻帶。當(dāng)x(n）經(jīng)過一個(gè)線性系統(tǒng)（即濾波器）后即可將欲去除的成分有效地去除。|X(ejw)|wwc無用wc|H(ejw)||Y(ejw)|wwc第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

經(jīng)典濾波器從功能上分又可分為：低通濾波器（LPAF/LPDF):Lowpassfilter帶通濾波器(BPAF/BPDF):Bandpassfilter高通濾波器(HPAF/HPDF):Highpassfilter帶阻濾波器(BSAF/BSDF):Bandstopfilter

每一種又可分為：數(shù)字(Digital)和模擬(Analog)濾波器。第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2分類模擬濾波器：RC濾波、LC濾波數(shù)字濾波器：是一種計(jì)算程序，處理離散信號(hào)。第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1）利用通用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的線性非移變系統(tǒng)的特定軟件，2）特別的專用硬件芯片組成的線性非移變系統(tǒng)，都可以定義為數(shù)字濾波器。實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器時(shí)，必須把輸入—輸出關(guān)系轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)上可執(zhí)行的算法。算法實(shí)際是由一組基本運(yùn)算單元組成的。二數(shù)字濾波器第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2、時(shí)域1、差分方程一般輸入x(n)與輸出y(n)可以有幾種表示方法：其中

h(n)=T[(n)]y(n)=x(n)h(n)y(n)=brx(nk)aky(nk)k=0Mk=1N3、復(fù)頻域y(n)=Z1[Y(z)]=Z1[X(z)H(z)]式中H(z)是系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)，且H(z)=Y(z)X(z)k=0Mbkzkk=1Nakzk1+=第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五4頻域的離散傅里葉變換算單元。不同的算法就有不同的表示方法，但都要用到基本運(yùn)式中H(k)是系統(tǒng)的頻域采樣函數(shù)。y(n)=IDFT[Y(k)]=IDFT[X(k)H(k)]第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五例如以下系統(tǒng)函數(shù)表示，相應(yīng)有不同的運(yùn)算結(jié)構(gòu)。最常用描述離散系統(tǒng)的數(shù)學(xué)形式是給定系統(tǒng)函數(shù)H(z)上面的H1(z)、H2(z)、H3(z)是同一系統(tǒng)不同的傳輸函數(shù)1H1(z)=10.8z1

+0.15z21.5H2(z)=10.3z12.510.5z1+1H3(z)=10.3z1110.5z1第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五實(shí)現(xiàn)濾波從運(yùn)算上看,只需三種運(yùn)算：加法、單位延遲、乘常數(shù)。因此實(shí)現(xiàn)的方法有兩種：（1）利用通用計(jì)算機(jī)編程，即軟件實(shí)現(xiàn);

（2）數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）即專用硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)函數(shù)

差分方程第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五例1：已知一個(gè)數(shù)字濾波器的傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)上式的運(yùn)算：移位、乘、加。則其相應(yīng)的差分方程為：第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五系統(tǒng)函數(shù)和差分方程的關(guān)系(求解差分方程)N階常系數(shù)線性差分方程的一般形式為若系統(tǒng)起始狀態(tài)為零，直接對(duì)上式兩端取Z變換，利用Z變換的線性特性和移位特性可得第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五所謂數(shù)字濾波實(shí)質(zhì)是一種運(yùn)算過程，用來描述離散系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的差分方程或卷積和，給它提供一個(gè)簡(jiǎn)明的運(yùn)算規(guī)則，使它完成對(duì)數(shù)據(jù)的處理。第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五例2：已知一個(gè)數(shù)字濾波器其傳輸函數(shù)為則根據(jù)傳輸函數(shù)幅度特性：第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五實(shí)現(xiàn)：第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1什么是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就是系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法的表達(dá)式形式系統(tǒng)的不同運(yùn)算結(jié)構(gòu)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)算誤差、運(yùn)算速度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟硬件的復(fù)雜程度和成本運(yùn)算結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一、數(shù)字濾波器的結(jié)構(gòu)表示法1、流圖（框圖法）框圖法簡(jiǎn)明且直觀，其三種基本運(yùn)算

(n)

z-1相加:單位延時(shí):(n）aa

乘常數(shù):第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

x(n)b0x(n)y(n)b0第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五2、信號(hào)流圖法

三種基本的運(yùn)算：?jiǎn)挝谎訒r(shí)：乘常數(shù)：相加：滿足以下條件的信號(hào)流圖，是在計(jì)算機(jī)上可實(shí)現(xiàn)的。稱為基本信號(hào)流圖。信號(hào)流圖中所有支路進(jìn)行的都是基本運(yùn)算信號(hào)流圖中如果有環(huán)路，則環(huán)路中必須存在延遲支路節(jié)點(diǎn)和支路的數(shù)目是有限的第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五1235467a1y(n-1)y(n)任何一節(jié)點(diǎn)值等于所有輸入支路的信號(hào)之和。節(jié)點(diǎn)：輸入節(jié)點(diǎn)：，輸出節(jié)點(diǎn)，支路：支路增益第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

數(shù)字濾波器是一種數(shù)字式的處理設(shè)備，它的設(shè)計(jì)是建立在對(duì)離散系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上。但是某些濾波器的設(shè)計(jì)過程中，為了保留模擬濾波器的良好特性，往往按給定的指標(biāo)先設(shè)計(jì)一個(gè)模擬濾波器，然后進(jìn)行數(shù)字化，所以了解模擬濾波器的特性和設(shè)計(jì)方法是很有必要的。第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五主要內(nèi)容濾波器概述典型模擬濾波器的設(shè)計(jì)無限沖激響應(yīng)(IIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有限沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五AF的衰減（衰耗）特性工作衰耗取決于幅度平方函數(shù)或稱模方函數(shù)理想的低通濾波器：通帶過渡帶阻帶實(shí)際的低通濾波器：典型模擬濾波器設(shè)計(jì)第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五一、巴特沃思低通(Butterworth)濾波器

基本性質(zhì)從給定的指標(biāo)設(shè)計(jì)模擬濾波器，其中心是如何尋找一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕坪瘮?shù)來逼近理想特性。巴特沃思濾波器是以巴特沃思近似函數(shù)作為濾波器的傳輸函數(shù)，該函數(shù)以最高階泰勒級(jí)數(shù)的形式來逼近理想矩形特性。第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五模方函數(shù)：隨著階次N的增加，通帶越平坦，越接近理想的特性，，逼近矩形。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五巴特沃斯濾波器幅度特性第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五性質(zhì)：對(duì)不同的N，總存在，幅度隨著的升高單調(diào)下降。當(dāng)

這說明在處最“平坦”—最大平坦近似。第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五頻率遠(yuǎn)離，在高頻范圍內(nèi)，頻率每增加一倍，衰耗增加6NdB。第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五

設(shè)計(jì)過程按給定指標(biāo)確定N

，通帶最大衰耗，阻帶最小衰耗第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五由模方函數(shù)求傳遞函數(shù)H(s)

巴特沃思函數(shù)極點(diǎn)分布規(guī)律第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五極點(diǎn)分布圖N=3ResjImsS平面N=4ResjImsS平面第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五由巴特沃思圓上的2N個(gè)極點(diǎn)，得到H(s)H(s)的表示根據(jù)因果穩(wěn)定系統(tǒng)的要求，取左半平面的N個(gè)極點(diǎn)作為H(s)的極點(diǎn)，

H(s)由右半平面N個(gè)極點(diǎn)組成。這樣得到H(s)的一般表示H(s)=(spk)k=1Nk0H(s)H(s)=(spk)k=12Nk0|H(j)|2|j=s

=H(s)H(s)第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五k0可以由H(0)求出。因?yàn)閟=j=0時(shí)，巴特沃思濾波器的幅頻特性H(0)=1，即H(s)=Nk0s=0=1(pk)k=1，解出k0=(pk)k=1N=(c)NH(s)=(spk)k=1N(pk)k=1N(spk)k=1N(c)N=得到第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五H(s)=(spk)k=1N(pk)k=1NsN+aN1csN1+aN2csN2+

+a1cs

+cNN12=cN(spk)k=1N=cN如果采用對(duì)截止頻率c歸一化，歸一化的H(s)為(s/c)N+aN1(s/c)N1+aN2(s/c)

N2+

+a1(s/c)

+11H(s)=第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五令s=s/c，pk=pk

/c

則上式變?yōu)榛騂(s)=pkk=1N1cscH(s)=(spk)k=1N1(s)N+aN1(s)N1+aN2(s)

N2+

+a1(s)

+11H(s)=式中pk為歸一化極點(diǎn)。第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五歸一化后的巴特沃思濾波器一般也稱歸一化巴特沃思原型低通濾波器。將上式的分母多項(xiàng)式制成相應(yīng)的表格如表5.2~5.4所示，這樣的多項(xiàng)式稱巴特沃思多項(xiàng)式。第39頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五s+11(s)2+2s+12(s)3+2(s)

2+2s+13(s)4+2.6131(s)3+3.4142(s)

2+2.6131s+14第40頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五+3.8637s+1+10.0978(s)

2+4.494s+1(s)5+3.2631(s)4+5.2331(s)3+5.2361(s)

2+3.2361s+15(s)6+3.8637(s)5+7.4641(s)4+9.1416(s)3+7.4641(s)

26(s)7+4.494(s)6+10.0978(s)5+14.5918(s)4+14.5918(s)37+21.8642(s)3+13.1371(s)

2+5.1258s+18(s)8+5.1258(s)7+13.1371(s)6+21.8462(s)5+25.6884(s)4第41頁，共44頁，2023年，2月20日，星期五低通巴特沃思濾波器設(shè)計(jì)步驟如下(4)、去歸一化，得到實(shí)際濾波器的系統(tǒng)函數(shù)(1)由p、s、p、s及上式確定系統(tǒng)的