数字信号课件-7第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计.ppt
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1、第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计 6.1 6.1 数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念 6.2 6.2 模拟滤波器的设计模拟滤波器的设计 6.3 6.3 脉冲响应不变法设计脉冲响应不变法设计IIR IIR 数字滤波器数字滤波器 6.4 6.4 双线性变换法设计双线性变换法设计IIR IIR 数字滤波器数字滤波器第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计6.1 6.1 数字滤波器的基本概念数字滤波器的基本概念 输入输出均为输入输出均为数字信号数字信号,通过一定运算关系改通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除
2、某些变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件或程序。频率成分的器件或程序。h(n)x(nx(n)y(ny(n)x(nx(n)*)*h(nh(n)频率响应频率响应一、选频数字滤波器的分类一、选频数字滤波器的分类第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计按滤波器频率响应的通带特性分类如下:按滤波器频率响应的通带特性分类如下:第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计 频率响应频率响应 是以是以22为周期的为周期的 其中:低频带在其中:低频带在22的整数倍附近;的整数倍附近;高频带在高频带在的奇数倍附近。的奇数倍附近。频带之间
3、的幅度响应是突变的,单位脉冲响频带之间的幅度响应是突变的,单位脉冲响应是非因果的。这种滤波器称为理想滤波器。应是非因果的。这种滤波器称为理想滤波器。特点特点第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计二、数字滤波器的技术指标二、数字滤波器的技术指标11120p ps s通带通带过渡带过渡带阻带阻带第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计通带通带 称为通带截频称为通带截频通带内的允许的最大衰减通带内的允许的最大衰减p:若若|H(ej0)|归一化为1,则则当当 ,即,即 ,称此时的,称此时的p为为3dB截止频率,用截止频率,用c 表示。表示。
4、第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计阻带阻带 称为阻带截频称为阻带截频过渡带过渡带阻带内的允许的最小衰减阻带内的允许的最小衰减s:若若|H(ej0)|归一化为1,则则第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计三、三、IIRIIR数字滤波器的设计方法数字滤波器的设计方法 IIRIIR滤波器的系统函数:滤波器的系统函数:设计:设计:就是要确定系数就是要确定系数b b、a a以使滤波器以使滤波器H(zH(z)满足给满足给定的性能指标。定的性能指标。方法:方法:由模拟滤波器设计数字滤波器,即由模拟滤波器设计数字滤波器,即Ha(s)H(z)脉
5、冲响应不变法脉冲响应不变法双线性变换法双线性变换法第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计6.6.2 2 模拟滤波器的设计模拟滤波器的设计一、模拟滤波器概述一、模拟滤波器概述1.常见模拟滤波器常见模拟滤波器巴特沃斯(巴特沃斯(ButterworthButterworth)滤波器滤波器切比雪夫(切比雪夫(ChebyshevChebyshev)滤波器滤波器椭圆(椭圆(EllipseEllipse)滤波器滤波器贝塞尔(贝塞尔(BesselBessel)滤波器滤波器第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计2.模拟滤波器的分类模拟滤波器的分类
6、低通低通高通高通带通带通带阻带阻第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计3.模拟低通滤波器的性能指标模拟低通滤波器的性能指标 11120 p s第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计4.幅度平方函数幅度平方函数模拟滤波器的幅度响应常用幅度平方函数表示。模拟滤波器的幅度响应常用幅度平方函数表示。|Ha(j)|2=Ha(j)Ha*(j)模拟滤波器的冲激响应模拟滤波器的冲激响应ha(t)是实函数是实函数Ha*(j)=Ha(j)|Ha(j)|2=Ha(j)Ha(j)Ha(s)Ha(-s)s=j 第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限
7、脉冲响应数字滤波器的设计Ha(s)Ha(-s)的零极点分布特点:象限对称的零极点分布特点:象限对称 由幅度平方函数确定系统函数由幅度平方函数确定系统函数|Ha(j)|2 Ha(s)Ha(S)的极的极点(零点)点(零点)Ha(-S)的极的极点(零点)点(零点)第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计对对Ha(s)Ha(-s)的零极点进行分配:的零极点进行分配:极点极点 因为稳定系统的极点应位于因为稳定系统的极点应位于s s平面的左半面平面的左半面左半面左半面的极点的极点Ha(s)右半面右半面的极点的极点Ha(-s)零点零点左半面左半面的零点的零点Ha(s)最小相位系
8、统最小相位系统任一半任一半面零点面零点Ha(s)一般系统一般系统第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计总结:总结:模拟低通滤波器的逼近方法模拟低通滤波器的逼近方法|Ha(j)|2 Ha(s)导出导出步骤:步骤:将将H Ha a(s(s)H Ha a(-s(-s)因式分解,求得各零点和极点因式分解,求得各零点和极点按照按照|Ha(j)|与与H Ha a(s s)的低频特性或高频特性的低频特性或高频特性对比确定增益常数对比确定增益常数第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计二、巴特沃斯低通滤波器的设计二、巴特沃斯低通滤波器的设计1、幅度
9、平方函数、幅度平方函数式中:式中:N N为正整数,表示滤波器的阶数为正整数,表示滤波器的阶数当当0 0时,时,当当c时,时,第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计巴特巴特沃斯滤波器的幅度特性沃斯滤波器的幅度特性通带内有最大的平坦的幅度特性,称为最平幅频通带内有最大的平坦的幅度特性,称为最平幅频响应滤波器。响应滤波器。随随由由0增大,增大,单调减小。单调减小。N越大,通带内特性越平坦,过渡带越窄。越大,通带内特性越平坦,过渡带越窄。不管不管N为多大,为多大,都过都过0.707(3dB)这一点。这一点。第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器
10、的设计2 2、巴特沃斯滤波器的参数估计:求、巴特沃斯滤波器的参数估计:求阶数阶数 N N 和和 c c(1 1)求)求阶数阶数 N N第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计令令则则滤波器的阶数滤波器的阶数N N确定确定第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计通带满足要求,阻通带满足要求,阻带指标有富裕量带指标有富裕量阻带满足要求,通阻带满足要求,通带指标有富裕量带指标有富裕量(2 2)确定确定 c的方法的方法第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数
11、字滤波器的设计极点极点(2N(2N个)个)3、|Ha(j )|2 Ha(s)导出导出第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计 N=3 2N2N个极点均匀分布在半径为个极点均匀分布在半径为 c c的圆周上,间隔为的圆周上,间隔为/N/N弧度,且成共轭对出现;弧度,且成共轭对出现;j S平面平面零极点分布特点零极点分布特点S0S1S2S3S4S5第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计取左半平面上的极点作为取左半平面上的极点作为H Ha a(s)(s)的极点的极点k的低频特性:的低频特性:第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲
12、响应数字滤波器的设计归一化巴特沃斯滤波器归一化巴特沃斯滤波器 由于各滤波器的幅频响应特性不同,为设计统一,由于各滤波器的幅频响应特性不同,为设计统一,将所有频率归一化。将所有频率归一化。对截止频率对截止频率 c c归一化的低通滤波器归一化的低通滤波器令令归一化极点归一化极点第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计1第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计4、巴特沃斯低通滤波器的设计小结、巴特沃斯低通滤波器的设计小结设计步骤(设计步骤(Page158):):1.根据技术指标根据技术指标计算滤波器的阶数计算滤波器的阶数N和和2.求归一化极
13、点求归一化极点,得出归一化系统函数得出归一化系统函数或或根据根据N直接查表直接查表(Page157)3.去归一化去归一化第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 a8 1 1 1 1 1 1 1 1第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计 例例6.2.1 已知通带截止频率已知通带截止频率fp=5kHz,通带最大衰减通带最大衰减p=2dB,阻带截止频率阻
14、带截止频率fs=12kHz,阻带最小衰减阻带最小衰减s=30dB,按照以上按照以上技术指标设计巴特沃斯低通滤波器。技术指标设计巴特沃斯低通滤波器。解解(1)确定阶数确定阶数N:令令 N=5 N=5则则 ,第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计(2)确定归一化的系统函数确定归一化的系统函数Ha(p):第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计(2)确定归一化的系统函数确定归一化的系统函数Ha(p):直接查表直接查表极点:-0.3090j0.9511,-0.8090j0.5878;-1.0000a0=1.0000,a1=3.2361,a2
15、=5.2361,a3=5.2361,a4=3.2361a5=1第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计(3)为将Ha(p)去归一化,先求3dB截止频率c。将p=s/c代入Ha(p)中得到:阻带有裕量第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计三、模拟滤波器的频带变换三、模拟滤波器的频带变换研究:模拟低通研究:模拟低通模拟高通、带通、带阻滤波器模拟高通、带通、带阻滤波器为防止混淆,先规定一些符号:为防止混淆,先规定一些符号:设原有低通滤波器设原有低通滤波器 设所需滤波器设所需滤波器系统函数:系统函数:G(S)G(S)系统函数:系统函数:H(
16、S)H(S)S Sjj S Sjj归一化系统函数:归一化系统函数:G(pG(p)归一化系统函数:归一化系统函数:H(qH(q)p pjj qj 归一化频率归一化频率 归一化频率归一化频率 第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计1.1.模拟低通模拟低通模拟高通模拟高通p p 低通归一化通带截频低通归一化通带截频s s 低通归一化阻带截频低通归一化阻带截频p p 高通归一化通带下限截频高通归一化通带下限截频s s 高通归一化阻带上限截频高通归一化阻带上限截频第六章第六章 无限脉冲响应数字滤波器的设计无限脉冲响应数字滤波器的设计 低通的低通的从从经过经过s、p 到到0
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