数字信号处理西电IIR数字滤波器的设计方法复习.pptx
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1、5.1 基本概念 数字滤波器是对数字信号实现滤波的LTI系统,将输入的数字序列通过特定运算转变为输出的数字序列。设计数字滤波器就是根据任务要求,确定滤波器的性能参数,用一个因果稳定的LTI离散时间系统的系统函数去逼近性能要求第1页/共108页5.1 基本概念 1 数字滤波器的分类数字滤波器的分类 经典滤波器与现代滤波器 经典:输入信号中有用频率成分与希望滤除的频率各占有不同的频带 现代:维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等 IIR滤波器与FIR滤波器 低通、高通、带通与带阻等滤波器第2页/共108页 数字滤波器的理想幅频特性 第3页/共108页 p s理想滤波器是非因果的,需要设计一个因果
2、可实现的滤波器实现2 滤波器的技术指标滤波器的技术指标 滤波器的性能要求通常以频率响应幅度特性的允许误差来表征 以右图低通为例,频率响应包括 通带、过渡带与阻带 1(2)为通(阻)带的容限,p(s)为通(阻)带截止频率第4页/共108页 p s 通带允许的最大衰减(波纹)Ap和阻带应达到的最小衰减As式中|H(ej0)|=1(归一化)第5页/共108页 IIR滤波器一般采用递归型的实现结构3 FIR型滤波器和型滤波器和IIR型滤波器型滤波器 IIR滤波器的系统函数H(z)在Z平面上不仅有零点,而且有极点 FIR滤波器一般采用非递归型,系统函数极点只能在Z平面原点 第6页/共108页 按照实际任
3、务要求,确定滤波器的性能指标 用因果稳定的离散LTI系统的(FIR、IIR)系统函数逼近性能要求 利用有限精度算法实现系统函数。包括选择运算结构,合适的字长以及有效数字的处理方法等 4 滤波器的设计步骤滤波器的设计步骤第7页/共108页5.2 IIR滤波器设计的特点 将IIR滤波器的系统函数用极、零点表示:对系统函数的设计就是确定各系数ak,bk或零极点ck,dk和A,使滤波器满足给定的性能要求MN第8页/共108页 设计方法 最优化设计法(计算机辅助设计法)从统计的概念出发,对要提取的有用信号估计,在统计指标最优的意义下,使估计值最优逼近有用信号,减弱或消除噪声 最优化设计法的设计步骤1)选
4、择一种最优准则,如最小均方误差准则 2)求在此最佳准则下滤波器系统函数的系数ak,bk。通过迭代运算,找到使为最小时的一组系数ak,bk第9页/共108页 设计方法 利用模拟滤波器的理论来设计数字滤波器根据性能参数,先设计一个模拟滤波器,再按一定算法(脉冲响应不变法和双线性变换法)转换为满足预定指标的数字滤波器 实质:一个由S平面到Z平面的复变函数的映射变换该映射变换须满足的条件下面先讨论模拟滤波器的设计方法,再介绍由模拟变换为IIR数字的两种算法:脉冲响应不变法和双线性变换法 S平面虚轴 j必须映射到Z平面的单位圆ej上 S平面的左半平面必须映射到Z平面单位圆的内部|z|1第10页/共108
5、页5.3 模拟低通滤波器的设计方法 常 用 的 模 拟 原 型 滤 波 器 有 巴 特 沃 思(Butterworth)滤 波 器、切 比 雪 夫(Chebyshev)滤波器、椭圆(Ellipse)滤波器、贝塞尔(Bessel)滤波器等 模拟原型滤波器的特点Butterworth具有单调下降的幅频特性Chebyshev的幅频特性在通(阻)带有波动,可以提高选择性Bessel通带内有较好的线性相位特性Ellipse的选择性相对前三种是最好的,但在通带和阻带内均为等波纹幅频特性第11页/共108页5.3.1 幅度平方函数确定系统函数(模拟滤波器的设计方法)滤波器的技术指标给定后,需要设计一个传输函
6、数Ha(s),希望其幅度平方函数满足给定的指标,典型滤波器的幅度平方函数都有自己的表达式,可以直接引用模拟滤波器幅度响应常用幅度平方函数|Ha(j)|2表示 冲激响应ha(t)为实函数模拟滤波器的设计通常总是先设计出低通,再通过频率变换转换成要求类型(高通,带通等),而低通是通过幅度平方函数来设计的第12页/共108页式中Ha(s)是系统函数;Ha(j)是频率响应特性;|Ha(j)|是幅度特性 根据|Ha(j)|2 求 Ha(s)Ha(s)Ha(-s)的极(零)点分布是成象限对称的 Ha(s)必须稳定,因此极点必定落在s左半平面 零点的分布只和滤波器的相位特征有关,如无特殊要求,可将对称零点的
7、任一半(应为共轭对)取为Ha(s)的零点 根据Ha(s)极(零)点可确定增益常数,最终得到系统函数Ha(s)第13页/共108页 巴特沃思低通滤波器幅度平方函数定义 式中,N为正整数,代表滤波器的阶数。c为3dB截止频率。当=c时,衰减为 3 dB5.3.2 巴特沃思低通逼近 (最平幅度逼近)巴特沃思低通滤波器在通带内有最大平坦的幅度特性,因而又称为最平幅度特性滤波器|Ha(j)|2单调减小,N越大,通带内特性越平坦,过渡带越窄第14页/共108页 巴特沃思滤波器的极(零)点分布(公式法求解低通Ha(s)零点全在s=处,有限S平面内只有极点,属“全极点型”滤波器 Ha(s)Ha(-s)的2N个
8、极点等间隔分布在半径为c的圆(巴特沃思圆)上,极点间的角度间隔为/N rad 令=s/j k=1,2,2N Ha(s)Ha(-s)的极点为 第15页/共108页例N3及N4时,Ha(s)Ha(-s)的极点分布分别如下图示N为奇(偶)数时,实轴上有(无)极点。且极点不会落在虚轴上第16页/共108页 取S左半平面的N个极点为Ha(s)的极点,即得到Ha(s)的表示式 k=1,2,N 低通巴特沃思滤波器的设计步骤阶数N相同的模拟低通经归一化后,其Ha(s)表示式都是相同的,可以通过查表获得,因此设计巴特沃思滤波器的实质就是求滤波器阶次N和截止频率c(归一化)第17页/共108页 阶数N的计算(由指
9、标p,Ap,s和As得到)巴特沃思低通滤波器技术指标关系式阶数N的大小主要影响幅度特性下降速度已知代入上式整理得到第18页/共108页由上式可解出滤波器阶数N和截止频率c或第19页/共108页 根据阶数N,查表得到归一化系统函数HaN(s)根据c将HaN(s)去归一化,得到实际要求的系统函数Ha(s)第20页/共108页 低通巴特沃思滤波器设计步骤总结 已知p,Ap,s和As,计算滤波器阶数N和截止频率c或 根据N查表得到归一化系统函数HaN(s)根据c将HaN(s)去归一化,得到实际要求的系统函数Ha(s)第21页/共108页 例 导出三阶巴特沃思模拟低通滤波器的系统函数设c2 rad/s解
10、1 由已知得到幅度平方函数为Ha(s)的表示式为(P157)k=1,2,N 当N=3可求得Ha(s)的极点sk(k=1,2,3),从而得到系统函数第22页/共108页 例 导出三阶巴特沃思模拟低通滤波器的系统函数设c2 rad/s解2 由P158表5可知归一化的三阶巴特沃思模拟低通为 已知 c2 rad/s,则第23页/共108页说明:巴特沃斯归一化低通滤波器参数表有多种形式第24页/共108页第25页/共108页第26页/共108页例设计一个满足下面要求的模拟低通巴特沃思滤波器:(1)通带截止频率:p=0.2;通带最大衰减:Ap=7 dB。(2)阻带截止频率:s=0.3;阻带最小衰减:As=
11、16dB。已知p,Ap,s和As,计算滤波器阶数N和截止频率c 根据N查表得到归一化系统函数HaN(s)根据c,将HaN(s)去归一化第27页/共108页取 N=3或 已知p,Ap,s和As,计算滤波器阶数N和截止频率c 第28页/共108页 根据c,将HaN(s)去归一化,得到实际要求的系统函数Ha(s)根据N查表得到归一化系统函数HaN(s)或代入上式将第29页/共108页第30页/共108页 该映射变换须满足以下要求:S平面虚轴 j必须映射到Z平面的单位圆ej上 S平面的左半平面必须映射到Z平面单位圆的内部|z|1 利用模拟滤波器来设计数字滤波器 常用的变换方法有:脉冲响应不变法和双线性
12、变换法使稳定的模拟系统映射为具有相同幅频特性的稳定的数字系统第31页/共108页5.4 用脉冲响应不变法设计IIR数字滤波器使数字滤波器的单位脉冲响应序列h(n)与相应的模拟滤波器的冲激响应ha(t),在采样点处的量值相等,即h(n)=ha(nT)5.4.1 变换原理第1章中采样序列的Z变换与模拟信号拉氏变换的关系(P48)脉冲响应不变法将模拟滤波器的S平面变换成数字滤波器的Z平面第32页/共108页 脉冲响应不变法的映射关系 第33页/共108页数字滤波器与模拟滤波器的频率响应间的关系为(P49)数字滤波器的频率响应是模拟滤波器频率响应的周期延拓 只有当模拟滤波器的频率响应是限带的,且满足采
13、样定理时,数字滤波器的频率响应才不产生混叠失真 提高采样频率为fs,可减小频率响应的混叠效应 5.4.2 混叠失真第34页/共108页脉冲响应不变法中的频响混叠现象 第35页/共108页 脉冲响应不变法设计中,由一个较为复杂的模拟系统函数求出数字滤波器系统函数是一个很麻烦的变换过程 因为乘积的z变换并不等于各部分变换的乘积,所以不宜采用级联分解 但各项和的z变换是线性关系,因而用部分分式表达系统函数,特别适合于对复杂模拟系统函数的变换5.4.3 模拟滤波器的数字化方法第36页/共108页设模拟滤波器的系统函数Ha(s)只有单阶极点,且分母的阶次大于分子的阶次,将Ha(s)用部分分式表示 数字滤
14、波器的单位脉冲响应等于对ha(t)的采样,因此 将Ha(s)拉氏反变换u(t)是单位阶跃函数 模拟滤波器与数字滤波器系统函数的关系第37页/共108页对h(n)求Z变换,得数字滤波器的系统函数 S平面的单极点s=sk对应于Z平面上z=eskT处的单极点 Ha(s)与H(z)的部分分式的系数相同,都是Ak 模拟滤波器因果稳定,则数字滤波器也因果稳定 脉冲响应不变法只能保证极点有这种代数对应关系与模拟滤波器的系统函数Ha(s)相比第38页/共108页 Ha(s)与H(z)间的变换关系为 脉冲响应不变法的设计步骤,可直接将 Ha(s)写成单极点的部分分式和的形式,然后将各部分分式用上式关系替代,即得
15、到H(z)第39页/共108页 由于数字滤波器频率响应幅度与采样间隔T成反比(p49)|为使数字滤波器增益不随采样频率变化,通常令 h(n)=Tha(nT)此时:第40页/共108页将上式代入到第41页/共108页第42页/共108页例 设模拟滤波器的系统函数为 试利用脉冲响应不变法将Ha(s)转换成IIR数字滤波器的系统函数H(z)解 数字滤波器的系统函数为 设T=1,则有 第43页/共108页模拟滤波器的频响Ha(j)以及数字滤波器的频响H(ej)分别为:由于Ha(j)不是限带的,所以H(ej)产生了频谱混叠失真 第44页/共108页T取不同值时的幅频特性图第45页/共108页数字滤波器的
16、单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应,因此时域特性逼近好 频率坐标变换是线性的,即=T。因此该数字滤波器可以很好重现原模拟滤波器的频率特性 会产生频率混叠现象(从S平面到平面为多值映射关系),适合低通、带通滤波器的设计,而不适合高通、带阻的设计 5.4.4 优缺点第46页/共108页5.5 用双线性变换法设计IIR数字滤波器 5.5.1 变换原理为克服频率混叠现象,可采用非线性频率压缩方法,将整个频率轴的频率范围压缩到-/T/T之间,再用z=esT转换到Z平面上使S平面与Z平面建立起一一对应的单值关系第47页/共108页将此关系解析延拓到整个S平面和S1平面,令j=s,j1=s1,得
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