第六章 无限脉冲优秀PPT.ppt
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1、第六章无限脉冲第一页,本课件共有105页l线性相位线性相位FIR FIR 的特点的特点l窗窗函数法设计数字滤波器函数法设计数字滤波器l频率取样法设计数字滤波器频率取样法设计数字滤波器lFIRFIR滤波器和滤波器和IIRIIR滤波器的比较滤波器的比较l数字滤波器的应用数字滤波器的应用第二页,本课件共有105页6.16.1线性相位线性相位FIRFIR的特点的特点第三页,本课件共有105页偶对称:偶对称:h h(n n)=h=h(N-1-nN-1-n)一、线性相位的条件一、线性相位的条件如果如果FIR DFFIR DF的单位抽样响应的单位抽样响应h h(n n)为实数,)为实数,且满足且满足:奇对称
2、:奇对称:h(n)=-h(N-1-n)第四页,本课件共有105页1 1、h h(n n)为偶对称情况)为偶对称情况6.1.1 线性相位特性第五页,本课件共有105页上式两边同时加上式两边同时加H H(Z Z),再用),再用2 2去除得:去除得:第六页,本课件共有105页幅度幅度幅度幅度相位相位相位相位第七页,本课件共有105页 与与 呈正比,是严格的线性相位。呈正比,是严格的线性相位。第八页,本课件共有105页0第九页,本课件共有105页 当当h h(n n)=-h=-h(N-1-nN-1-n)时,类似的推导可得:)时,类似的推导可得:其幅度函数和相位函数分别为:其幅度函数和相位函数分别为:2
3、 2、h h(n n)为奇对称的情况)为奇对称的情况第十页,本课件共有105页 相位特性是线性相位,而且还产生一个相位特性是线性相位,而且还产生一个90900 0相移,这样就使得通过相移,这样就使得通过filterfilter的所有频率都的所有频率都相移相移90900 0,称它为,称它为正交变换网络正交变换网络。0第十一页,本课件共有105页线性相位FIR滤波器的横截型运算结构 横截型结构的乘法系数即为横截型结构的乘法系数即为 h h(n n)的值,而线的值,而线性相位性相位FIRFIR滤波器的脉冲响应滤波器的脉冲响应可设法减少乘法器的个数。可设法减少乘法器的个数。1.N为奇数为奇数第十二页,
4、本课件共有105页第十三页,本课件共有105页2.N为偶数为偶数第十四页,本课件共有105页1 1、第一种类型:、第一种类型:N N为奇数,为奇数,h h(n n)为偶对称)为偶对称6.1.2 幅度响应特性例如例如 N=11 N=11,对称中心为,对称中心为n012345678910第十五页,本课件共有105页第十六页,本课件共有105页第十七页,本课件共有105页2 2、第二种类型:、第二种类型:N N为偶数,为偶数,h h(n n)为偶对称)为偶对称例如例如 N=10 N=10,对称中心为,对称中心为n0123456789第十八页,本课件共有105页不适合高通,带阻滤波器不适合高通,带阻滤
5、波器第十九页,本课件共有105页3 3、第三种类型:、第三种类型:N N为奇数,为奇数,h h(n n)为奇对称)为奇对称例如例如 N=11 N=11,对称中心为,对称中心为n012345678910第二十页,本课件共有105页第二十一页,本课件共有105页不适合低通、高通,带阻滤波器不适合低通、高通,带阻滤波器第二十二页,本课件共有105页4 4、第四种类型:、第四种类型:N N为偶数,为偶数,h h(n n)为奇对称)为奇对称例如例如 N=10 N=10,对称中心为,对称中心为n012 3456789第二十三页,本课件共有105页不适合低通,带阻滤波器不适合低通,带阻滤波器第二十四页,本课
6、件共有105页四种线性相位四种线性相位FIRFIR滤波器滤波器相位特性相位特性辅助序列辅助序列适用适用幅度特性及特点幅度特性及特点N奇奇N偶偶N奇奇N偶偶低通低通高通高通带通带通带阻带阻低通低通带通带通带通带通高通高通带通带通第二十五页,本课件共有105页6.1.3 线性相位FIR滤波器零点位置 1、零点的分布原则第二十六页,本课件共有105页2、零点的位置、零点的位置(1 1)既不在实轴上,也不在单位圆上,既不在实轴上,也不在单位圆上,则零点是则零点是互为倒数的两组共轭对互为倒数的两组共轭对10第二十七页,本课件共有105页(2)(2)不在实轴上,但在单位圆上,共轭对不在实轴上,但在单位圆上
7、,共轭对的倒数就是它们本身,零点是的倒数就是它们本身,零点是一组共轭对一组共轭对01第二十八页,本课件共有105页(3 3)在实轴上,不在单位圆上,实数零在实轴上,不在单位圆上,实数零点,没复共轭;只有倒数。点,没复共轭;只有倒数。01第二十九页,本课件共有105页(4 4)既在实轴上也在单位圆上。此时,既在实轴上也在单位圆上。此时,只有一个零点,且有两种可能,或位于只有一个零点,且有两种可能,或位于Z=1Z=1,或位于或位于Z=-1Z=-1。第三十页,本课件共有105页例如:例如:FIR线性相位滤波器的线性相位滤波器的h(n)是实数且是实数且n6时,时,h(n)0,如果,如果h(0)1且系统
8、函数在且系统函数在z=3和各和各有一个零点,求有一个零点,求H(Z)解:解:第三十一页,本课件共有105页整理多项式:整理多项式:由由h(0)h(0)1 1 得:得:A=1 A=1第三十二页,本课件共有105页6.26.2窗函数法设计窗函数法设计 数字滤波器数字滤波器第三十三页,本课件共有105页6.2.1设计方法设计方法截断截断逼进逼进一、设计思想一、设计思想第三十四页,本课件共有105页例如:设计一个例如:设计一个FIR低通低通filter,其理想频响为其理想频响为:100为群延时为群延时第三十五页,本课件共有105页第三十六页,本课件共有105页0.010 0 1 1 2 2 3 3n.
9、N-1第三十七页,本课件共有105页二、窗函数对频响的影响二、窗函数对频响的影响第三十八页,本课件共有105页二、窗函数对频响的影响二、窗函数对频响的影响第三十九页,本课件共有105页1.窗函数频率响应窗函数频率响应0第四十页,本课件共有105页2.理想滤波器频率响应理想滤波器频率响应幅度函数:幅度函数:01第四十一页,本课件共有105页3.h(n)的频响)的频响第四十二页,本课件共有105页0H(0)为为全部面积的积分全部面积的积分1).当当01第四十三页,本课件共有105页2)时,时,正好与正好与 的一半相重叠。这时有的一半相重叠。这时有 。第四十四页,本课件共有105页3)时,时,的主瓣
10、全部在的主瓣全部在的通带内,这时应出现正的肩峰。的通带内,这时应出现正的肩峰。第四十五页,本课件共有105页4 4)时,主瓣全部在通带外,时,主瓣全部在通带外,出现负的肩峰。出现负的肩峰。第四十六页,本课件共有105页(5 5)当当 时,随时,随 增加,增加,左边旁瓣的起伏部分扫过通带,卷积左边旁瓣的起伏部分扫过通带,卷积也随着也随着 在通带内的旁瓣的在通带内的旁瓣的面积变化而变化,故面积变化而变化,故 将围绕着将围绕着零值而波动。零值而波动。第四十七页,本课件共有105页(6)当当时,时,的右边旁瓣将进入的右边旁瓣将进入的通带,右边旁瓣的起伏造成的通带,右边旁瓣的起伏造成值围绕值围绕值而波动
11、。值而波动。0.0895-0.0895100.5wc-wc第四十八页,本课件共有105页l吉布斯(吉布斯(GibbsGibbs)效应)效应 因为窗函数的频响的幅度为因为窗函数的频响的幅度为这是一个很特殊的函数,分析表明,当改变这是一个很特殊的函数,分析表明,当改变N N时仅时仅能改变能改变 的绝对值的大小和主瓣的宽度的绝对值的大小和主瓣的宽度 旁瓣的宽度,但不能改变主瓣与旁瓣的相对比例,旁瓣的宽度,但不能改变主瓣与旁瓣的相对比例,也不会改变归一化频响的肩峰的相对值。也不会改变归一化频响的肩峰的相对值。5 5、几点结论、几点结论l加窗后,使频响产生一过渡带,其宽度正好等于加窗后,使频响产生一过渡
12、带,其宽度正好等于窗函数的频响窗函数的频响 的主瓣宽度的主瓣宽度l在在 处出现肩峰,肩峰两侧形成起伏振荡,处出现肩峰,肩峰两侧形成起伏振荡,其振荡幅度取决于旁瓣的相对幅度,而振荡的多少其振荡幅度取决于旁瓣的相对幅度,而振荡的多少则取决于旁瓣的多少。则取决于旁瓣的多少。第四十九页,本课件共有105页例如:设计一个截止频率为例如:设计一个截止频率为的数字的数字低通滤波器低通滤波器第五十页,本课件共有105页对于同一个的窗函数当随着对于同一个的窗函数当随着N N的增加,阻带衰减越的增加,阻带衰减越快,但是第一旁瓣值不变,快,但是第一旁瓣值不变,N N越大,过渡带越窄,旁瓣越大,过渡带越窄,旁瓣越多,
13、通带越宽。越多,通带越宽。第五十一页,本课件共有105页希望窗谱主瓣尽量窄,以获得较陡的过渡带,希望窗谱主瓣尽量窄,以获得较陡的过渡带,这是因为过渡带等于主瓣宽度。这是因为过渡带等于主瓣宽度。6.2.2各种窗函数各种窗函数一一.选择窗函数的要求选择窗函数的要求线性相位线性相位尽量减少窗谱最大旁瓣的相对幅度,这样可尽量减少窗谱最大旁瓣的相对幅度,这样可使肩峰和波纹减少,增大阻带衰减。使肩峰和波纹减少,增大阻带衰减。第五十二页,本课件共有105页时域表达式时域表达式:频域表达式(频谱)频域表达式(频谱):幅度函数:幅度函数:1 1、矩形窗、矩形窗主瓣宽度:主瓣宽度:二二.各种窗函数各种窗函数最大旁
14、瓣值比主瓣值约低最大旁瓣值比主瓣值约低13dB第五十三页,本课件共有105页时域表达式:时域表达式:2.2.三角形(三角形(BartlettBartlett)窗)窗频谱频谱:主瓣宽度:主瓣宽度:最大旁瓣值比主瓣值最大旁瓣值比主瓣值约低约低25dB第五十四页,本课件共有105页3.3.汉宁(汉宁(HanningHanning)窗(升余弦窗)窗(升余弦窗)时域表达式时域表达式:频谱:频谱:第五十五页,本课件共有105页主瓣宽度:主瓣宽度:最大旁瓣值比主瓣值约低最大旁瓣值比主瓣值约低31dB第五十六页,本课件共有105页有有99.963%的能量集中在主瓣内,最大旁瓣值比主瓣值的能量集中在主瓣内,最大
15、旁瓣值比主瓣值约低约低41dB4、海明海明(Hamming(Hamming)窗)窗时域表达式时域表达式:频谱频谱:主瓣宽度:主瓣宽度:第五十七页,本课件共有105页5.5.布拉克曼窗布拉克曼窗时域表达式时域表达式:频谱频谱:主瓣宽度:主瓣宽度:最大旁瓣值比主瓣值约低最大旁瓣值比主瓣值约低57dB第五十八页,本课件共有105页第五十九页,本课件共有105页其中,其中,为第一类零阶修正贝塞尔函数,为第一类零阶修正贝塞尔函数,是一个可自由选择的参数。是一个可自由选择的参数。6 6、凯泽(、凯泽(KaiserKaiser)窗)窗凯泽窗可以在主瓣宽度与旁瓣衰减之间自由选。凯泽窗可以在主瓣宽度与旁瓣衰减之
16、间自由选。第六十页,本课件共有105页第六十一页,本课件共有105页窗函数窗函数旁瓣峰值旁瓣峰值峰值峰值/dB过渡宽过渡宽阻带最小阻带最小衰减衰减/dB矩形窗矩形窗三角窗三角窗宁汉窗宁汉窗汉明窗汉明窗布莱克曼布莱克曼凯凯 泽泽 窗窗(=7.865)13-25-31-41-57-574/N4/N8/N8/N8/N8/N8/N8/N12/N12/N10/N10/N-21-25-44-53-74-80表表1 1窗函数基本参数比较窗函数基本参数比较 第六十二页,本课件共有105页例如:设计一个截止频率为例如:设计一个截止频率为的数字低的数字低通滤波器通滤波器第六十三页,本课件共有105页矩形窗过渡带最
17、窄,布拉克曼窗过渡带最宽,但是对矩形窗过渡带最窄,布拉克曼窗过渡带最宽,但是对于阻带最小衰减性矩形窗最差,只有于阻带最小衰减性矩形窗最差,只有21dB21dB,布莱克曼,布莱克曼窗最好,达到窗最好,达到75dB75dB。汉明窗与汉明窗的过渡带稍宽,。汉明窗与汉明窗的过渡带稍宽,阻带衰减性也较好,是较为常用的窗函数。阻带衰减性也较好,是较为常用的窗函数。第六十四页,本课件共有105页t改变改变N N只能改变过渡带宽窄,不能改变阻带只能改变过渡带宽窄,不能改变阻带的衰减性;的衰减性;t阻带的衰减性由窗函数类型决定,矩形窗阻带的衰减性由窗函数类型决定,矩形窗最差,布莱克曼窗最好最差,布莱克曼窗最好;
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