有限长单位脉冲响应FIR数字滤波器的设计.pptx

h(n)是是FIR滤波器的单位脉冲响应，长度为滤波器的单位脉冲响应，长度为N，则其系统函数为：，则其系统函数为：H(z)=z-no收敛域包括单位圆；oz平面上有N-1个零点；oz=0是N-1阶极点;特点：FIR滤波器永远稳定和容易实现线性相位6.1 线性相位FIR数字滤波器的特点第1页/共67页对于长度为对于长度为N的的h(n)，传输函数为：，传输函数为：注意：H()为的实函数，可能取负值；|H(ej)|称为幅度响应，总是正值H()称为幅度函数，()称为相位函数一、线性相位条件=H()第2页/共67页但上两种情况都满足群时延是一个常数第一类线性相位第二类线性相位()=,为常数；()=0，0是起始相位线性相位是指()是的线性函数，即：1、什么是线性相位-=第3页/共67页h(n)是以(N-1)/2偶对称实序列，即：h(n)=h(Nn1)2、第一类线性相位条件N为奇数的情况n 0h(n)N为偶数的情况n 0h(n)第4页/共67页h(n)是以(N-1)/2奇对称实序列，即：h(n)=h(Nn1)3、第二类线性相位条件N为偶数的情况N为奇数的情况n 0h(n)n 0h(n)第5页/共67页4、第一类线性相位特点、第一类线性相位特点令：m=N-n-1,则有将z=ej代入上式，得到：相位函数幅度函数H第6页/共67页第二类线性相位条件证明将z=e j代入上式，得到：相位函数幅度函数m=0第7页/共67页第一类相位函数条件:h(n)偶对称第二类相位函数条件:h(n)奇对称第8页/共67页1、h(n)=h(N-n-1)，N=奇数奇数 由前面推导的幅度函数由前面推导的幅度函数H()为：为：二、线性相位FIR滤波器幅度函数的特点特点：lh(n)对(N-1)/2偶对称，余弦项也对(N-1)/2偶对称；l以(N-1)/2为中心，把两两相等的项进行合并，因N为奇数，余下中间项n=(N-1)/2H()第9页/共67页m=1令m=(N-1)/2-nH()其中，第10页/共67页幅度函数特点：(1)式中cosn项对=0,皆为偶对称，则幅度特性对=0,是偶对称的。(2)可实现所有滤波特性（低通、高通、带通、带阻）。H()=第11页/共67页2、h(n)=h(N-n-1)，N=偶数偶数 推推导导情情况况和和前前面面N为为奇奇数数相相似似，不不同同点点是是由由于于N为为偶偶数数，Hg()中中没没有有单单独独项项，相相等等的的项合并成项合并成N/2项。项。其中：令m=N/2-nH()第12页/共67页幅度特点：(1)当=时，故H()=0，即H(z)在z=1处，有一零点；(2)由于cos(n)对w=奇对称，所以H()在=呈奇对称；(3)用这种滤波器设计方法不能实现高通、带阻滤波器；H()第13页/共67页3、h(n)=-h(N-n-1)，N=奇数奇数由前面推导的幅度函数可得：由前面推导的幅度函数可得：由于h(n)=-h(N-n-1)，当n=(N-1)/2时：h(n)和正弦项都对(N-1)/2奇对称，相同项合并，共合并(N-1)/2项。h(N-1)/2=0n0(N-3)/22h(n)Sin(-n)令m=(N-1)/2-nH()第14页/共67页幅度特点：(1)幅度函数H()在=0,呈奇对称。(2)H()在=0、2处值为0，即H(z)零点在z=1处，只能实现带通滤波器;H()第15页/共67页4 h(n)=h(N-n-1)，N=偶数偶数令：m=N/2-n，则有：H()H()第16页/共67页幅度特点：(1)由于sin(n-)在=0、2处都为0，因此H()在=0，2处也为0，H(z)在z=1处为零点；不能实现低通、带阻滤波器。(2)由于sin(n)在=0、2处都呈奇对称，对=呈偶对称，故幅度函数H()在=0,也呈奇对称，在=处呈偶对称。H()第17页/共67页第一类和第二类线性相位的系统函数综合起来用下式表示：第一类和第二类线性相位的系统函数综合起来用下式表示：三、零点位置三、零点位置表明：l如果z=zi是H(z)的零点，则z=zi-1也是H(z)的零点。l由于h(n)为实序列，零点必定共轭成对。则zi*和(zi-1)*也是H(z)的零点；即H(z)的零点必定互为倒数的共轭对。第18页/共67页01Re(z)jIm(z)Zi-1ZiZi*(Zi-1)*(1)分析：(1)当zi不在实轴上，不在|z|=1上，则零点是互为倒数的两组共轭对；确定了一个零点，其它三个确定了。(2)当zi不在实轴上，但在|z|=1上，由于共轭对的倒数是它们本身，故此时零点是一组共轭对；Re(z)jIm(z)Zi01ZI*(2)第19页/共67页(3)zi在实轴上，不在|z|=1上，则零点是互为倒数两个实数零点；-1(4)01jIm(z)Re(z)(4)zi在实轴上，也在|z|=1上，则零点只有一个，或位于z=1，或位于z=1。ZI101jIm(z)Zi(3)Re(z)第20页/共67页例：如果系统的单位脉冲响应为(1)判断该系统是否具有线性相位，说明理由。(2)求出该系统的频率响应，画出幅度、相位和群时延特性曲线。h(n)1，0n50，其他n第21页/共67页一、设计思想一、设计思想 设设希希望望设设计计的的滤滤波波器器传传输输函函数数为为H Hd d(e(ejj)，h hd d(n)(n)是是与与其其对对应应的的单单位位脉脉冲冲响响应应，因因此此 ：6.2 6.2 用窗函数法设计用窗函数法设计FIRFIR滤波器滤波器n问题：一般情况下Hd(ej)是逐段恒定的，在边界频率处有不连续点，所以hd(n)是无限时宽，且为非因果，这样的系统不能实现。第22页/共67页例例：一理想低通滤波器的传输函数：一理想低通滤波器的传输函数Hd(ej)为为相应的单位脉冲响应hd(n)为hd(n)nhd(n)是无限时宽，非因果序列0c-c|Hd(ej)|1第23页/共67页要求要求:(1)得到一得到一因果序列因果序列h(n)；(2)构造构造一个长度为一个长度为N的线性相位滤波器的线性相位滤波器；将将hd(n)截取一段，并保证截取的一段对截取一段，并保证截取的一段对(N-1)/2对称对称(线性相位线性相位)。设截取的一段用设截取的一段用h(n)表示，即表示，即h(n)=hd(n)RN(n)RN(n)n0N-1hd(n)nh(n)na(N-1)/2矩形窗的长度为N，且a(N-1)/2时，满足上述两个要求。第24页/共67页二、加窗处理对二、加窗处理对FIR滤波器幅频特性的影响滤波器幅频特性的影响 设计过程中，加窗后的单位响应序列为设计过程中，加窗后的单位响应序列为 h(n)=hh(n)=hd d(n)(n)R RN N(n)(n)。即用一个。即用一个有限长的序列有限长的序列h(n)h(n)去代替一个去代替一个无限长的序列无限长的序列h hd d(n)(n)，会产生误差，时域中是会产生误差，时域中是截断处理截断处理，在频域表现出的现，在频域表现出的现象就是象就是通带和阻带中有波动通带和阻带中有波动，也称为吉布斯效应，也称为吉布斯效应(截断效应截断效应)。这样设计出来的这样设计出来的频响频响 H(eH(ejwjw)只能是尽量逼近要求的只能是尽量逼近要求的H Hd d(e(ejwjw)h(n)=hd(n)RN(n)*分析：频域卷积定理第25页/共67页)矩形窗的幅度函数理想低通滤波器的幅度特性*结论：设计出来的滤波器的幅度特性等于理想低通滤波器的幅度特性Hd()与矩形窗幅度特性Rd()的卷积。第26页/共67页Hd()与与Rd()卷积形成卷积形成H()的过程的过程Wc+2/NWc2/NH(w)最大的正峰与最大的负峰对应的频率相差4/N第27页/共67页H()与原理想低通与原理想低通 Hd()差别有以下差别有以下2点：点：H()在在=C附近形成过渡带附近形成过渡带，过渡带，过渡带宽度宽度B=4/N，近似于矩形序列，近似于矩形序列幅度谱幅度谱RN()的主瓣宽度的主瓣宽度；通带内增加了通带内增加了波动波动，最大的峰值在，最大的峰值在=C 2/N 处，阻带内产生了处，阻带内产生了余振余振，最大的负峰，最大的负峰值在值在=C+2/N 处。幅度谱处。幅度谱RN()波动越快波动越快(N加大加大)，通带、阻带内波动越快，其旁，通带、阻带内波动越快，其旁瓣的大小直接影响瓣的大小直接影响H()波动的大小。波动的大小。Hd()在加窗后在频域中的现象称为吉布斯效应在加窗后在频域中的现象称为吉布斯效应影响:(1)通带内的波动影响滤波器通带的平稳性；(2)阻带内波动影响阻带的衰减，可使最小衰减不满足技术要求；第28页/共67页减小吉布斯效应措施减小吉布斯效应措施1、增加、增加N值值l 可减小过渡带宽度可减小过渡带宽度，由于，由于主瓣与旁瓣幅度也增加，且主瓣和旁瓣的主瓣与旁瓣幅度也增加，且主瓣和旁瓣的相对值不变相对值不变，H(w)的波动幅度没有改变。的波动幅度没有改变。l 带内最大肩峰比带内最大肩峰比H(0)高高8.95%，阻带最大负峰比零值超过，阻带最大负峰比零值超过8.95%。使阻带最小的。使阻带最小的衰减衰减只有只有21dB。l 谱间干扰未减小，波动更明显，因此谱间干扰未减小，波动更明显，因此加大加大N并不是减少吉布斯效应的有效方法并不是减少吉布斯效应的有效方法；第29页/共67页2、改善窗函数的形状、改善窗函数的形状 减少带内波动以及加大阻带的衰减只能从减少带内波动以及加大阻带的衰减只能从窗函数的形状窗函数的形状找出解决方法，主要考虑以下找出解决方法，主要考虑以下2点因素：点因素：(1)尽量尽量减小主瓣宽度减小主瓣宽度，以获得较窄的过渡带；，以获得较窄的过渡带；(2)尽量使窗函数的尽量使窗函数的最大副瓣最大副瓣相对于主瓣要小，使设计出来的滤波器幅度特性中相对于主瓣要小，使设计出来的滤波器幅度特性中肩峰和余振肩峰和余振较小较小，阻带衰减较大。，阻带衰减较大。第30页/共67页三、几种常见的窗函数三、几种常见的窗函数1、矩形窗、矩形窗(Rectangle Window)wR(n)=RN(n)其频率响应其频率响应为为WR(ejw)主瓣宽度为4/N，第一副瓣比主瓣低13dB。w第31页/共67页2、三角窗、三角窗 (Bartlett Window)，巴特利特窗，巴特利特窗 WBr(ejw)主瓣宽度为8/N；第一副瓣比主瓣低26dB。w2第32页/共67页 3.汉宁汉宁(Hanning)窗窗升余弦窗升余弦窗频响函数其幅度函数WHn(ejw)主瓣宽度为8/N，第一副瓣比主瓣低33dB。w|第33页/共67页4哈明窗哈明窗 (Hamming Window)改进的余弦窗改进的余弦窗WHm(ejw)主瓣宽度为8/N，第一副瓣比主瓣低40dB。w第34页/共67页5布莱克曼窗布莱克曼窗(Blackman Window):二阶升余弦窗二阶升余弦窗WBl(ejw)主瓣宽度为12/N，第一副瓣比主瓣低57dB。w第35页/共67页6、凯塞、凯塞-贝塞尔窗贝塞尔窗(Kaiser-Basel Window)参数用以控制窗的形状，影响滤波器的性能参数，加大，主瓣加宽，旁瓣幅度减小，典型数据为：49；当5.44时，窗函数接近哈明窗，7.865时，窗函数接近布莱克曼窗。凯塞窗的幅度函数为：I0(x)取1525项，可满足精度要求I0(x)是零阶第一类修正贝塞尔函数第36页/共67页凯塞窗参数对滤波器的性能影响 第37页/共67页六种窗函数的基本参数 第38页/共67页四、窗函数法的设计步骤四、窗函数法的设计步骤1确定希望逼近的滤波器的频响函数确定希望逼近的滤波器的频响函数Hd(ej)2 2、根据、根据Hd(ej)确定其对应的单位脉冲响应确定其对应的单位脉冲响应h hd d(n)(n)IDFTRM(n)n(1)Hd(ej)可封闭求解，则：(2)Hd(ej)不可封闭求解，对Hd(ej)从=02采样M点，采样值为Hd(ej2k/M)，k=0,1,M-1，用2/M代替上式中d，则：第39页/共67页(3)如果已知通带如果已知通带(或阻带或阻带)衰减和边界截止频率衰减和边界截止频率c，选，选理想滤波器理想滤波器作为逼近函数，对理想滤作为逼近函数，对理想滤波器频响函数作波器频响函数作 IFT，求出，求出 hd(n)。2、选择窗函数根据过渡带与阻带衰减的要求，选择满足条件的窗函数形式，并估计窗口长度N。原则是保证阻带衰减的前提下，尽量选主瓣窄的窗函数。第40页/共67页3、计算所要设计的滤波器的单位采样响应、计算所要设计的滤波器的单位采样响应h(n)计算滤波器的单位取样响应计算滤波器的单位取样响应 h(n)=hd(n)w(n)。其中。其中 w(n)是上面选择好的窗函数，是上面选择好的窗函数，hd(n)与与w(n)都应满足线性相位要求。都应满足线性相位要求。4、验证技术指标是否满足要求已设计出的滤波器的频率响应。验算H(ej)是否满足设计要求，若不满足要求，重复上面2，3，4过程。第41页/共67页窗函数法优点：窗函数法优点：从时域出发的一种设计方法，设计简单，方便，实用。从时域出发的一种设计方法，设计简单，方便，实用。缺点是：缺点是：要求用计算机实现，边界频率不易控制。要求用计算机实现，边界频率不易控制。Hd(ej)h(n)hd(n)IFT加窗截断FT比较，满足设计要求，则设计完毕，不合格则修改窗函数H(ej)第42页/共67页例：例：用矩形窗设计法设计一个用矩形窗设计法设计一个FIR线性相位低通滤波器，已知线性相位低通滤波器，已知c=0.5，N=21，(N-1)/2，画出画出h(n)和和20lg|H()/H(0)|曲线，再计算正、负肩峰的位置和过渡带宽带度。曲线，再计算正、负肩峰的位置和过渡带宽带度。单位脉冲响应hd(n)为:解：理想滤波器的频响为：第43页/共67页计算得：hd(n)，0，1/9，0，1/7，0，1/5，0，1/3，0，1/，0.5，1/，0，-1/3，0，1/5，0，-1/7，0，1/9，0，n=0加矩形窗：加矩形窗：h(n)=hd(n).RN(n)h(n)0，0.0354，0，-0.0455，0，0.0637，0，-0.1061，0，0.3183，0.50，0.3183，0，-0.1061，0，0.0637，0，-0.0455，0，0.0345，0h(n)0，1/9，0，1/7，0，1/5，0，1/3，0，1/，0.5，1/，0，-1/3，0，1/5，0，-1/7，0，1/9，0第44页/共67页20lg|H()/H(0)|曲线如下：曲线如下：正肩峰A点：c-2/N0.5-2/2120lg(1.0895)=0.74dB临界频率B点：c0.520lg(0.5)=-6dB负肩峰C点：c2/N0.52/2120lg(0.0895)=-21dB过渡带AC宽度为：c2/N(c-2/N)=4/N=0.19第45页/共67页一、频率采样法基本原理一、频率采样法基本原理设设 Hd(ej)为所要设计的数字滤波器的频率响应，则为所要设计的数字滤波器的频率响应，则:1、在、在=范围内对范围内对 Hd(ej)进行进行N点等间隔采样，得到点等间隔采样，得到Hd(k)6.3 用频率采样法设计用频率采样法设计FIR滤波器滤波器2、对N点Hd(K)进行IDFT，得所设计的滤波器的单位脉冲响应h(n)第46页/共67页3对求出的对求出的h(n)进行进行z变换，得到滤波器的系统函数变换，得到滤波器的系统函数H(z)或利用频域内插公式（P88）第47页/共67页Hd(ej)Hd(k)h(n)H(ej)等间隔采样IDFT内插函数是否满足指标第48页/共67页二、线性相位的约束二、线性相位的约束(1)第一类线性相位：h(n)偶对称，N为奇数特点：幅度函数H()关于=0，2偶对称，H()=H(2)采样值：Hk关于N/2偶对称，即：Hk=HN-k相位采样值：第49页/共67页(2)第一类线性相位：h(n)偶对称，N为偶数特点：幅度函数H()关于=奇对称，H()=-H(2)采样值：Hk关于N/2奇对称，即：Hk=-HN-k，且HN/2=0相位采样值：第50页/共67页(3)第二类线性相位：h(n)奇对称，N为奇数特点：幅度函数H()关于=0，2奇对称，H()=-H(2)采样值：Hk奇对称，即：Hk=-HN-k相位采样值：第51页/共67页(4)第二类线性相位：h(n)奇对称，N为偶数特点：幅度函数H()关于=偶对称，H()=H(2)采样值：Hk偶对称，即：Hk=HN-k相位采样值：第52页/共67页（2）h(n)偶对称，N为偶数时：设计方法：设计方法：用用理理想想滤滤波波器器作作为为逼逼近近滤滤波波器器，截截止止频频率率为为c，采样点数为N，则Hk和和k的的计计算算公公式式为：为：（1）h(n)偶对称，N为奇数时：Hk=HN-k=1，k=0，1，kc；Hk=0，k=kc+1，kc+2，N-kc-1；k=0，1，N-1；Hk=1，k=0，1，kc；Hk=0，k=kc+1，kc+2，N-kc-1；k=0，1，N-1；HN-k=-1，k=0，1，kc；kc取小于等于cN/2的最大整数第53页/共67页对H(k)进行IDFT变换，求出h(n)；由h(n)可求出所设计滤波器的频响H(ejw)由前面计算出的由前面计算出的Hk和和k的值可构造出的值可构造出H(k)等效于在0，2上的N个采样值k=0，1，N-1；第54页/共67页三、误差分析与改进措施三、误差分析与改进措施 设待设计的滤波器为设待设计的滤波器为Hd(ej)，对应的单位取样响应为，对应的单位取样响应为hd(n)1、从时域分析误差频域采样定理：在频域02之间等间隔采样N点，利用IDFT得到的h(n)。分析：如果Hd(ej)有间断点，则hd(n)是无限长的，这样得到的h(n)产生时域的混迭，无法逼近hd(n)。改进措施：增大N值，使设计出的滤波器愈逼近待设计Hd(ej)。第55页/共67页 2、从频域分析误差、从频域分析误差 频率域等间隔采样得到频率域等间隔采样得到N个采样值个采样值H(k)，频响函数和，频响函数和H(k)的关系为的关系为内插函数内插公式在采样点=2k/N，k=0,1,N-1处，(-2k/N)=1，因此采样点H(ejk)与H(k)相等，逼近误差为0。在采样点间，H(ej)由有限项H(k)与(-2k/N)之乘积和形成，其误差与Hd(ej)平滑度有关，越平滑，误差越小。特性曲线间断点处，误差最大，表现形式为间断点用斜线取代，且间断点附近形成振荡特性，使阻带衰减减小，有可能满足不了技术要求。误差分析：第56页/共67页(1)增大N值，但间断点仍无法弥补，带来体积增大，成本增加。(2)在频响间断点附近区间内插一个或几个过渡采样点，使不连续点变成缓慢过渡，虽然增加了过渡带带宽(代价），但增加了阻带衰减(收获)。过渡带的优化要借助于计算机优化设计。减小误差措施第57页/共67页总结：频率采样法设计线性相位总结：频率采样法设计线性相位FIR滤波器步骤滤波器步骤1、根据、根据c 及及N的奇偶性，确定滤波器的奇偶性，确定滤波器 Hk和和 k及及kC值；值；2、由、由H(k)=Hkej k，求出，求出 H(k)；3、对、对 H(k)进行进行 IDFT变换，求出变换，求出 h(n)；4、由、由 h(n)求出所设计的滤波器的频率响应求出所设计的滤波器的频率响应 H(ejw)，并分析误差，优化设计。，并分析误差，优化设计。第58页/共67页例：例：试用频率采样设计法设计一个试用频率采样设计法设计一个FIR线性相位低通滤波器，已知：线性相位低通滤波器，已知：c=0.5，N=51。画出画出|Hd(ejw)|，|H(k)|,20lg|H(ejw)|曲线。曲线。解：在00.5和1.52处的幅度函数为1，其余为0。采样频率为：2/N2/51，c51/212.7，所以kc取值12。Hk10k12和39k5013k380(k)=k(N-1)/N50k/51由幅度和相位特性，得到FIRDF的采样值为H(k)Hkejkej50K/510k12和39k5013k380第59页/共67页画出画出|Hd(ejw)|，|Hd(k)|的曲线如下图所示的曲线如下图所示第60页/共67页20lg|H(ejw)|曲线如下图所示-第61页/共67页频率采样法特点：频率采样法特点：优点：优点：(1)可以在频域直接进行设计，并且适合于最优化设计；可以在频域直接进行设计，并且适合于最优化设计；(2)特别适合于设计窄选频滤波器，因为只有少数几个非零值的特别适合于设计窄选频滤波器，因为只有少数几个非零值的H(k)，因而设计计算量小。，因而设计计算量小。缺点：缺点：采样频率只能等于采样频率只能等于2/N的整数倍，因而不能确保制止频率的自由取值，要想实现自的整数倍，因而不能确保制止频率的自由取值，要想实现自由地选择截止频率，必须增加采样点数由地选择截止频率，必须增加采样点数N，但这又使计算量加大。，但这又使计算量加大。第62页/共67页1性能方面：性能方面：IIR滤波器滤波器：传输极点可位于单位圆内任何地方。：传输极点可位于单位圆内任何地方。优点：优点：较低阶数滤波器实现，存储单元少，所以经济且效率高；较低阶数滤波器实现，存储单元少，所以经济且效率高；缺点：缺点：相位是非线性的，往往可选择性越好，相位非线性越严重。相位是非线性的，往往可选择性越好，相位非线性越严重。FIR滤波器滤波器优点优点：可以得到严格的线性相位。：可以得到严格的线性相位。缺点：缺点：由于滤波器传输函数的极点固定在原点，所以只能用较高阶数的滤波器达到性能指标。由于滤波器传输函数的极点固定在原点，所以只能用较高阶数的滤波器达到性能指标。6.5 IIR和FIR数字滤波器的比较第63页/共67页 2 2结构方面：结构方面：l IIR滤波器采用滤波器采用递归型结构递归型结构，极点要控制在单位圆内，系统才确保稳定，缺点是有限字长，极点要控制在单位圆内，系统才确保稳定，缺点是有限字长效应时，有效应时，有寄生振荡寄生振荡；l FIR采用采用非递归型结构非递归型结构，由于，由于FIR的单位冲激响应的单位冲激响应h(n)有限长，可采用有限长，可采用FFT运算，其运算运算，其运算速度快，误差小；速度快，误差小；3.设计工具方面：lIIR滤波器的设计可借助于模拟滤波器的成果,由于有有效的封闭设计公式和图表供选择，计算工作量小,计算工具要求不高；lFIR滤波器设计没有封闭形式的公式和图表，一般FIR设计只有按照计算程序进行，故对计算工具要求较高。第64页/共67页 4.4.应用方面：应用方面：l IIR设计较简单，主要应用于设计具有设计较简单，主要应用于设计具有片断常数片断常数特性的滤波器，如低通、高通、带通及特性的滤波器，如低通、高通、带通及带阻等滤波器；带阻等滤波器；l FIR滤波器能适应某些特殊的应用，如构成微分器或积分器，因而适应性更大，范围更滤波器能适应某些特殊的应用，如构成微分器或积分器，因而适应性更大，范围更广。广。在语音通信中，对相位线性特性要求不高，可以选用经济高效的IIR滤波器实现；而在图像通信中，对相位的线性特性要求较高，则要用稍为复杂的FIR滤波器来实现。第65页/共67页作业P322 6.6P323 6.12第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页