IIR数字滤波器的原理及设计.ppt
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1、n进行进行z变换,可得:变换,可得: n于是得到于是得到IIRIIR数字滤波器的系统函数:数字滤波器的系统函数: (6.2) (6.2)MiNiiiiizYzbzXzazY01)()()(NiiiMiiizbzazXzYzH101)()()( 6.1.2 6.1.2 IIR IIR 数字滤波器的设计方法数字滤波器的设计方法n 对对(6.2)(6.2)式的有理函数的分子、分母多项式进行因式分解,式的有理函数的分子、分母多项式进行因式分解,可以得到:可以得到: (6.3) (6.3)n其中其中c ci i 为零点而为零点而d di i为极点。为极点。H(z)H(z)的设计就是要确定系数、的设计就是
2、要确定系数、或者零极点、,以使滤波器满足给定的性能指标。一般有或者零极点、,以使滤波器满足给定的性能指标。一般有三种方法。三种方法。NiiMiiNiiiiMiizdzcazbzazH1111010)1 ()1 (1)( 1. 1. 零极点位置累试法零极点位置累试法n IIRIIR系统函数在单位圆内的极点处出现峰值、在零点系统函数在单位圆内的极点处出现峰值、在零点处出现谷值处出现谷值, , 因此可以根据此特点来设置因此可以根据此特点来设置H(z)H(z)的零极点以的零极点以达到简单的性能要求。所谓累试,就是当特性尚未达到要达到简单的性能要求。所谓累试,就是当特性尚未达到要求时,通过多次改变零极点
3、的位置来达到要求。当然这种求时,通过多次改变零极点的位置来达到要求。当然这种方法只适用于简单的、对性能要求不高的滤波器的设计。方法只适用于简单的、对性能要求不高的滤波器的设计。 2. 2. 借助于模拟滤波器的理论和设计方法来设计数字滤波器借助于模拟滤波器的理论和设计方法来设计数字滤波器n 模拟滤波器的逼近和综合理论已经发展得相当成熟,模拟滤波器的逼近和综合理论已经发展得相当成熟,产生了许多效率很高的设计方法,很多常用滤波器不仅有产生了许多效率很高的设计方法,很多常用滤波器不仅有简单而严格的设计公式,而且设计参数已图表化,设计起简单而严格的设计公式,而且设计参数已图表化,设计起来方便准确。来方便
4、准确。n而数字滤波器就其滤波功能而言与模拟滤波器是相同的而数字滤波器就其滤波功能而言与模拟滤波器是相同的, , 因此,完全可以借助于模拟滤波器的理论和设计方法来设因此,完全可以借助于模拟滤波器的理论和设计方法来设计数字滤波器。在计数字滤波器。在IIRIIR数字滤波器的设计中,较多地采用数字滤波器的设计中,较多地采用了这种方法。了这种方法。 3. 3. 用优化技术设计用优化技术设计n 系统函数系统函数H(z)H(z)的系数、或者零极点、等参数,可以采的系数、或者零极点、等参数,可以采用最优化设计方法来确定。最优化设计法的第一步是要选用最优化设计方法来确定。最优化设计法的第一步是要选择一种误差判别
5、准则,用来计算误差和误差梯度等。择一种误差判别准则,用来计算误差和误差梯度等。 n第二步是最优化过程,这个过程的开始是赋予所设计的参第二步是最优化过程,这个过程的开始是赋予所设计的参数一组初值,以后就是一次次地改变这组参数,并一次次数一组初值,以后就是一次次地改变这组参数,并一次次计算计算H(z)H(z)的特性与所要求的滤波器的特性之间的误差,当的特性与所要求的滤波器的特性之间的误差,当此误差达到最小值时,所得到的这组参数即为最优参数,此误差达到最小值时,所得到的这组参数即为最优参数,设计过程也就到此完成。设计过程也就到此完成。 n这种方法能够精确地设计许多复杂的滤波器,但是往往计这种方法能够
6、精确地设计许多复杂的滤波器,但是往往计算很复杂,需要进行大量的迭代运算,故必须借助于计算算很复杂,需要进行大量的迭代运算,故必须借助于计算机,因而优化设计又叫做机,因而优化设计又叫做IIRIIR滤波器的计算机辅助设计滤波器的计算机辅助设计( (CAD)CAD)。n第一种方法的算法简单、设计粗糙,在这里不具体讨论了;第一种方法的算法简单、设计粗糙,在这里不具体讨论了;第三种方法所涉及的内容很多,并且需要最优化理论作为第三种方法所涉及的内容很多,并且需要最优化理论作为基础,因此在本章中只能作简要介绍;本章将着重讨论用基础,因此在本章中只能作简要介绍;本章将着重讨论用得最多的第二种方法。得最多的第二
7、种方法。 6.1.3 6.1.3 借助于模拟滤波器的理论和方法的设计原理借助于模拟滤波器的理论和方法的设计原理n利用模拟滤波器来设计数字滤波器,要先根据滤波器的性利用模拟滤波器来设计数字滤波器,要先根据滤波器的性能指标设计出相应的模拟滤波器的系统函数能指标设计出相应的模拟滤波器的系统函数H Ha a(s)(s),然后然后由由H Ha a(s)(s)经变换而得到所需要的数字滤波器的系统函数经变换而得到所需要的数字滤波器的系统函数H(z)H(z)。常用的变换方法有冲激响应不变法和双线性变换法。常用的变换方法有冲激响应不变法和双线性变换法。 6.2 6.2 模拟低通滤波特性的逼近模拟低通滤波特性的逼
8、近n 模拟滤波器的设计包括逼近和综合两大部分,其中逼近模拟滤波器的设计包括逼近和综合两大部分,其中逼近部分是与数字滤波器的设计有关的。本节要讨论的是,在部分是与数字滤波器的设计有关的。本节要讨论的是,在已知模拟低通滤波器技术指标的情况下,如何设计其系统已知模拟低通滤波器技术指标的情况下,如何设计其系统函数函数Ha(s),使其逼近所要求的技术指标。使其逼近所要求的技术指标。 n模拟系统的频率响应模拟系统的频率响应H Ha a(j)(j)是冲激响应是冲激响应h ha a(t)(t)的傅里叶变的傅里叶变换,换,H Ha a(j)(j)的模表征系统的幅频特性,下面要讨论如何的模表征系统的幅频特性,下面
9、要讨论如何根据幅频特性指标来设计系统函数。根据幅频特性指标来设计系统函数。n图图6.16.1中用虚线画出的矩形表示一个理想的模拟低通滤波中用虚线画出的矩形表示一个理想的模拟低通滤波器的指标,是以平方幅度特性器的指标,是以平方幅度特性| |H Ha a(j)|(j)|2 2来给出的。来给出的。 nc c 是截止频率,当是截止频率,当00c c时,时,| |H Ha a(j)|(j)|2 2 =0=0,是阻带。图是阻带。图6.1中的实的曲线中的实的曲线表示一个实际的模拟低通滤波器的平方幅度特性,我们的表示一个实际的模拟低通滤波器的平方幅度特性,我们的设计工作就是要用近似特性来尽可能地逼近理想特性。
10、设计工作就是要用近似特性来尽可能地逼近理想特性。 通常采用的典型逼近有通常采用的典型逼近有Butterworth逼近、逼近、 Chebyshev逼逼近和近和Cauer逼近(也叫椭圆逼近。逼近(也叫椭圆逼近。 6.2.1 6.2.1 ButterworthButterworth低通滤波特性的逼近低通滤波特性的逼近n 对于对于ButterworthButterworth滤波器有:滤波器有: (6.4)n满足此平方幅度特性的滤波器又叫做满足此平方幅度特性的滤波器又叫做B型滤波器。这里型滤波器。这里N为正整数,为为正整数,为B 型滤波器的阶次,为截止频率。型滤波器的阶次,为截止频率。|()|()Hja
11、Nc2211 6.2.1.1 6.2.1.1 B B型滤波特性型滤波特性 1. 最平坦函数最平坦函数n B型滤波器的幅频特性是随型滤波器的幅频特性是随 增大而单调下降的。在增大而单调下降的。在 =0附近以及附近以及 很大时幅频特性都接近理想情况,而且在很大时幅频特性都接近理想情况,而且在这两处曲线趋于平坦,因此这两处曲线趋于平坦,因此B型特性又叫做最平坦特性。型特性又叫做最平坦特性。 n2. 3db带宽带宽n 由由(6.4)式可知,当式可知,当=c c 时,时, = ,而,而 n因此截止频率又叫做因此截止频率又叫做3db带宽或者半功率点。带宽或者半功率点。 dbjHca3log10| )(|l
12、og102110210|()|Hja212 图图6.1 6.1 ButterworthButterworth低通滤波器的平方幅度特性低通滤波器的平方幅度特性 3. N的影响的影响 n在通带内,在通带内,0(/c)1,故故N越大,越大, 随随 增大而下增大而下降越快。降越快。|()|Hja2|()|Hja2n因此,因此,N越大,越大,B型滤波器的幅频特性越接近理想的矩形型滤波器的幅频特性越接近理想的矩形形状;而不同的形状;而不同的N所对应的特性曲线都经过所对应的特性曲线都经过c c 处的半功处的半功率点。离率点。离c c越近,幅频特性与理想特性相差越大。越近,幅频特性与理想特性相差越大。 6.2
13、.1.2 6.2.1.2 由得到由得到Ha(s), BHa(s), B型滤波器的极点型滤波器的极点n由于由于H Ha a(s)(s)是是s s的实系数有理函数,故有:的实系数有理函数,故有: ,令令s=j, s=j, 则有:则有: , 而而 (6.5) (6.5)n由由(6.4)(6.4)式和式和(6.5)(6.5)式有:式有: n用用s s代替上式中的代替上式中的j j : (6.6): (6.6)HsHsaa*( )()HjHjaa*()()|()|()()()()*HjHjHjHjHjaaaaa2HjHjaaNjjNcc()()()()111122)(1 1)()(2NjsaacsHsH
14、 图图 6.2 6.2 阶次阶次N N对对B B型特性的影响型特性的影响n(6.6)(6.6)式的极点为:式的极点为: p=0,1,2N-1 p=0,1,2N-1 n 作为作为 1 1的的2 2N N次方根,次方根,p p 均匀地分布在单位圆上,均匀地分布在单位圆上,幅角间隔为幅角间隔为/N /N ;它们关于实轴对称,却没有一个在实它们关于实轴对称,却没有一个在实轴上。显然,将轴上。显然,将 的模乘上,再将其按逆时针方向旋转,的模乘上,再将其按逆时针方向旋转,就得到就得到s sp p。因此,因此,s sp p均匀地分布在半径为的圆周上,其位均匀地分布在半径为的圆周上,其位置关于虚轴对称,却没有
15、一个在虚轴上,这就是说,置关于虚轴对称,却没有一个在虚轴上,这就是说,2 2N N个个极点极点s sp p在在s s平面的左、右两半平面各有平面的左、右两半平面各有N N个。个。pcNcpjjs)2/(1) 1(n 这这2 2N N个极点是个极点是H Ha a(s)H(s)Ha a(-s)(-s)的极点,考虑到系统函数的极点,考虑到系统函数H Ha a(s)(s)的极点必须在左半平面系统才是稳定的,因而将左半的极点必须在左半平面系统才是稳定的,因而将左半s s平平面的面的N N个极点个极点s sk k(k=0,1,N-1)k=0,1,N-1)分给分给H Ha a(s)(s),这样,右半这样,右
16、半平面的平面的N N 个极点个极点- -s sk k就正好是就正好是H Ha a(s)(s)的极点。因此有:的极点。因此有: (6.8) (6.8)()()(110NNcasssssssHn这个式子中的常数这个式子中的常数 是为了使是为了使(6.5)(6.5)式满足而加入的。式满足而加入的。 这这N N个极点个极点s s0 0、s s1 1、s sN-1在在s s 平面的左半平面而且以共平面的左半平面而且以共轭形式成对出现,当轭形式成对出现,当N N为奇数时为奇数时, , 有一个在实轴上有一个在实轴上 ( (为为 - ) - )。cNc6.2.1.3 6.2.1.3 一般情况下的一般情况下的B
17、 B型低通滤波器型低通滤波器 图图 6.3 6.3 一般情况下低通滤波器的设计指标一般情况下低通滤波器的设计指标n此时,应该将角频率此时,应该将角频率 标称化,通常以标称化,通常以1 1为基准频率,为基准频率,则标称化角频率为:则标称化角频率为:=/=/1 1 。于是通带边界的标称于是通带边界的标称化角频率为化角频率为 1 1=1=1,并且在通带有并且在通带有0011,在过渡在过渡带和阻带则有带和阻带则有 11。n以下为了方便起见,仍用不带撇的以下为了方便起见,仍用不带撇的 表示标称化的角频率。表示标称化的角频率。频率标称化后,频率标称化后,B B型滤波器的平方幅度特性仍如型滤波器的平方幅度特
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