IIR滤波器的设计.ppt

第6章 IIR数字滤波器设计 6.1 6.1 数字滤波基本概念数字滤波基本概念 6.2 6.2 模拟滤波器设计模拟滤波器设计6.3 6.3 设计设计IIRIIR滤波器的脉冲响应不变法滤波器的脉冲响应不变法6.4 6.4 设计设计IIRIIR滤波器的双线性变换法滤波器的双线性变换法第第6 6章章 IIRIIR数字滤波器设计数字滤波器设计滤波的目的n为了压制输入信号的某些频率成分，从而改变信号频谱中各频率分量的相对比例n广义滤波包括对信号的检测与参量的估计w信号的检测:确定在干扰背景中信号是否存在w信号参量的估计:为识别信号而确定信号的某一个或某几个参量的估值 6.1 数字滤波的基本概念数字滤波的基本概念 滤波技术包括滤波技术包括:n滤波器设计滤波器设计:根据给定滤波器的频率特性，根据给定滤波器的频率特性，求得满足该特性的传输函数，求得满足该特性的传输函数，n滤波过程的实现：获得传输函数后，以何种滤波过程的实现：获得传输函数后，以何种方式达到对输入信号的进行滤波的目的方式达到对输入信号的进行滤波的目的数字滤波器的分类数字滤波器的分类 经典滤波器（一般滤波器）经典滤波器（一般滤波器）输入信号的频率成分和希望滤除掉的频率成分各占有输入信号的频率成分和希望滤除掉的频率成分各占有不同的频带不同的频带按功能可分为：高通、低通、带通、带阻和全通滤波器按功能可分为：高通、低通、带通、带阻和全通滤波器 现代滤波器现代滤波器数字滤波器从实现网络结构上分数字滤波器从实现网络结构上分：无限脉冲响应滤波器（无限脉冲响应滤波器（IIR）有限脉冲响应滤波器（有限脉冲响应滤波器（FIR）数字滤波器的频率特性数字滤波器的频率特性数字滤波器n具有某种特定频率特性的线性时不变系统n广义上，任何线性时不变离散系统都是一个数字滤波器设计数字滤波器的任务n寻求一个因果稳定的线性时不变系统，使其系统函数H(z)具有指定的频率特性对因果稳定的线性时不变系统：:滤波器的传输函数H(z):系统函数h(n):滤波器的单位脉冲响应：幅度响应：相位响应DF按频率特性分类按频率特性分类可分为低通、高通、带通、带阻和全通可分为低通、高通、带通、带阻和全通特点为特点为l数字频率以数字频率以 周期周期l频率特性只限于频率特性只限于 范围，依取样定范围，依取样定理，理，对应于实际模拟抽样频率的一半对应于实际模拟抽样频率的一半 频率变量以数字频率频率变量以数字频率 表示表示 其中其中 模拟角频率，模拟角频率，T抽样时间间隔，抽样时间间隔，fs 抽样频率抽样频率理想滤波器的频率响应 0：通带波纹：通带波纹：阻带波纹：阻带波纹：过渡带：过渡带：通带截止频率：通带截止频率：阻带截止频率：阻带截止频率DF的性能要求（低通为例）的性能要求（低通为例）从信号不失真角度讲通常要求n相位线性具有群恒时延特性 相位响应2 2IIRIIR和和FIRFIR数字滤波器数字滤波器 IIR滤波器的系统函数通常可表示成的有理分式FIR滤波器的系统函数则可表示为的多项式 设计过程一般包括以下三个基本问题：n根据实际要求确定滤波器性能指标；n用一个因果稳定的系统函数去逼近这个指标；n用一个有限精度的运算去实现这个传输函数 w问题1、3与实际的要求及实现的硬件条件有关w本章主要讨论问题2，即系统函数的设计(或逼近)问题。3 3设计设计IIRIIR滤波器的几种方法滤波器的几种方法 IIR数字滤波器的系统函数可表示为的有理分式 设计IIR滤波器的系统函数，就是要确定H(z)的阶数N（通常称N为滤波器的阶数）以及分子分母多项式的系数 满足指定的频率特性(1)(1)利用模拟滤波器的理论来设计利用模拟滤波器的理论来设计 模拟滤波器研究较早，理论已经十分成熟，有许多简单而严谨的设计公式和大量的图表可以利用，利用这些现有技术来解决数字滤波器的设计问题采用这种方法时，要先要设计一个合适的模拟滤波器，然后将它转换成满足给定指标的数字滤波器这种方法适合于设计幅频特性比较规则的滤波器，例如低通、高通、带通、带阻等当把模拟滤波器的H(s)转换成数字滤波器的H(z)时，要实现S平面向Z平面的映射，必须满足两个条件 必须保证模拟频率映射为数字频率，且保证两者的频率特性基本一致n要求变换后代表S平面的虚轴j应映射到Z片面的单位圆n且数字滤波器的频率响应和模拟滤波器频率响应的形状应基本保持不变；因果稳定的模拟滤波器系统函数H(s)转换成数字滤波器传输函数H(z)后，仍然是因果稳定的n要求S平面左半平面的极点必须映射到Z平面的单位圆内 两种常用的方法 n脉冲响应不变法：从时域的角度出发进行映射n双线性不变法：从频域角度出发进行映射(2)(2)利用最优化技术进行利用最优化技术进行CADCAD设计设计 若需设计滤波器的幅频特性是任意的或者形状比较复杂，可采用计算机辅助设计(CAD)方法进行优化设计设计思想 希望滤波器的幅频响应：设计滤波器的幅频响应：选择一种最优化的准则，例如采用最小均方误差准则 在指定的一组离散的频率点 的均方误差 求解H(z)的系数使均方误差最小 当滤波器阶数 N 较高时，转换为一个多变量最优化问题，需要大量的迭代运算，因此必须采用CAD的方法。53 设计IIR滤波器的脉冲响应不变法 1 1设计的基本原理和方法设计的基本原理和方法 原理：原理：从时域响应出发，使求得的数字滤波器的单位脉冲响应h(n)等于模拟滤波器的单位冲激响应h(t)的抽样值。如果：则可有下式求H（z）：方法方法：将H(s)表示为部分分式形式 其拉氏反变换为 得到数字滤波器的单位脉冲响应 对上式两边取Z变换得（5-2-3）如果模拟滤波器的系统函数是稳定的，其极点应位于左半平面（5-2-3）对Z平面的极点有 位于单位园内。因此H(z)是一个稳定的离散系统函数，这说明由一个稳定的模拟滤波器得到了一个稳定的数字滤波器 2 2脉冲响应不变法设计的滤波器的频率响应脉冲响应不变法设计的滤波器的频率响应 根据抽样定理，序列h(n)的频谱是原模拟信号频谱的周期延拓 原模拟滤波器的频率响应为 ，由于h(n)是h(t)的等间隔抽样 如果模拟滤波器的频率响应是带限于折叠频率之内，即 这样数字滤波器的频率响应才能等于模拟滤波器的频率响应 然而，高通和带阻滤波器不能满足(-2-)式的要求，将会产生混叠脉冲响应不变法不适合用来设计高通和带阻数字滤波器。脉冲响应不变法不适合用来设计高通和带阻数字滤波器。3 3几点修正几点修正 1 1）、消去）、消去T T的影响的影响 由由上上式可式可见见，数字频率响应与模拟频率响应的第一差别是具有一数字频率响应与模拟频率响应的第一差别是具有一个乘法因子个乘法因子(1/(1/T)=T)=f fS S，当采当采样频样频率率f fS S很高很高时时，将会使，将会使滤滤波器的增波器的增益很大，益很大，这这往往是不希望的，往往是不希望的，为为此可此可对对下下式作修正式作修正：令令2 2）、直接用数字频率表示的求）、直接用数字频率表示的求H(z)的公式的公式在在实实际际滤滤波波器器设设计计中中，因因模模拟拟滤滤波波器器系系统统函函数数的的表表格格大大都都是是归归一一化化低通原型低通原型 ，其滤波器，其滤波器3 3dBdB点截止频率都归一化在点截止频率都归一化在原因：可将设计公式及有关参数表格化，使之更通用。我们只要原因：可将设计公式及有关参数表格化，使之更通用。我们只要知道滤波器的阶数，就可直接查出低通原型的系统函数。知道滤波器的阶数，就可直接查出低通原型的系统函数。当滤波器的实际截止频率不等于当滤波器的实际截止频率不等于1 1时，须进行所谓反归一化，时，须进行所谓反归一化，以以(s/)s/)代替代替 中的中的s s，即实际低通滤波器的系统函数即实际低通滤波器的系统函数H(s)应为应为为模拟归一化原型系统函数的极点 例例5-3-15-3-1利用脉冲响应不变法设计一个4阶巴特沃斯型数字低通滤波器，满足以下指标(A)若采样周期T=10s，求实际模拟截止频率fc，(B)3dB弧度。解：先计算模拟截止频率，设计数字低通滤波器分三步：第一步 查巴特沃斯数字低通滤波器原型表，求得系统函数 第二步 部分分式分解并求Ak第三步 将 代入下式，整理并化简求得H(z)的实系数二次形式 54 设计IIR滤波器的双线性变换法1 1设计方法设计方法 从从频频域响域响应应出出发发，直接使数字，直接使数字滤滤波器的波器的频频域响域响应应 ，逼近模逼近模拟滤拟滤波器的波器的频频域响域响应应 ,进进而求出而求出H H(z z)。脉冲响脉冲响应应不不变变法的主要缺点法的主要缺点：n对时对时域的采域的采样样会造成会造成频频域的混叠效域的混叠效应应，因而有可能，因而有可能使使设计设计的数字的数字滤滤波器的波器的频频域响域响应应与原来模与原来模拟滤拟滤波器波器的的频频域响域响应应相差很大，而且不能用来相差很大，而且不能用来设计设计高通和高通和带带阻阻滤滤波器波器原因：原因：从从S S平面到平面到Z Z平面的映射是多平面的映射是多值值的映射关系的映射关系双线性变换的映射过程 脉冲响应不变法的映射过程 双线性变换法的改进 为避免为避免频频域的混叠域的混叠，分两步完成，分两步完成S S平面到平面到Z Z平面的映射平面的映射v将将S S平面平面压缩压缩到某一中介的到某一中介的S S1 1平面的一条横平面的一条横带带域域v通通过标过标准的准的变换变换将此横将此横带带域映射到整个域映射到整个Z Z平面上去，平面上去，实现方法：实现方法：再通过Z变换，将1映射到Z平面的单位圆上 通过下面的正切变换，将S平面的j轴压缩到S1平面的j1轴上的 将正切变换延拓到整个S平面，得到S平面到S1平面的映射关系 再将S1平面按关系式 映射到Z平面得到 双线性变换双线性变换 或双线性变换的映射关系满足关于映射关系可行性的两个条件（1）S平面的虚轴映射到Z平面的单位圆上；（2）位于S左半平面的极点应映射到Z平面的单位圆内。带入表达式得：说明S平面的虚轴 映射成了Z平面的单位圆令 ,带入表达式得：显然当 时，1，S平面的左半平面轴映射到了Z平面的单位圆内，保证系统函数经映射后稳定性不变 双线性变换的频率对应关系 模拟频率与数字频率是一种非线性的关系 模拟滤波器与数字滤波器的响应与对应的频率关系上发生了畸变，也造成了相位的非线性变化，这是双线性变换法的主要缺点 双线性变换法除了不能用于线性相位滤波器设计外，仍然是应用最为广泛的设计IIR数字滤波器的方法。在上刻度为均匀的频率点映射到上时变成了非均匀的点，而且随频率增加越来越密2频率预畸变频率预畸变 为了保证各边界频率点为预先指定的频率，在确定模拟低通滤波器系统函数之前必须按下式进行所谓频率预畸变 然后将预畸变后的频率代入归一化低通原型Ha(s)确定最后求得数字系统函数 3.有关双线性变换公式的说明（抽样间隔T的选取有些文献中双线性变换的关系为:与右式有一个2/T的系数的差别。现说明T的取值。上式可由用数值计算的方法求解一阶输入-输出模拟系统的过程中推得。设一阶模拟系统函数为 对应的一阶微分方程为 将 表示成 的积分形式 采用梯形法近似计算定积分，令步长为T，并设t=nT，t0=（n-1）T，用T代替dt，以上积分式可近似为：带入一阶微分方程令 、一阶差分方程化为：对上式两边进行Z变换，得到：得到了双线性变换的关系 其中T为用梯形法近似计算定积分的步长，或将模拟信号离散为抽样信号时的抽样间隔抽样间隔 由以上的推导过程可见，T的取值可以任选，只要满足 即只要保证将模拟频率带限在之间，不会产生因多值映射即只要保证将模拟频率带限在之间，不会产生因多值映射产生频率混迭现象。产生频率混迭现象。另一方面，当变换关系采用下式时 将有关系式和当由归一化的模拟变量p变到数字变量Z的过程中，系数2/T已被消去。这再一次说明T取值的大小是不重要的。考虑到利用双线性变换法设计数字滤波器的过程 例：利用双线性变换法设计巴特沃斯型数字低通滤波器 设计参数：通带数字截止率 ，通带内最大衰减 阻带数字截止率 ，阻带内最小衰减 解 第一步 进行频率预畸变求 第二步 计算巴特沃斯型数字低通滤波器的阶数 取N=3 第三步 通过查表求得3阶巴特沃斯低通滤波器原型的系统函数 第四步 求3dB截止频率 ，并反归一化求得 解得：，反归一化求 得第五步 求得H(z)代入双线性变换公式，化简后求得 也可按下式将第三步与第四步可合并在一起进行，求出H(z)设计滤波器的幅度响应与相位响应