數字濾波器回顧與解析

2021-07-24 22:44:59 字數 2543 閱讀 8142

數字濾波器是乙個離散的系統。它可以對輸入的離散訊號進行一系列運算處理,從輸入的訊號中獲得所需要的資訊。數字濾波器的系統函式通常表示為

數字濾波器分為有限衝激響應數字濾波器,即fir數字濾波器和無限衝激響應,即iir數字濾波器。從公式的角度來看,fir數字濾波器的a(i)始終為零;iir數字濾波器a(i)至少有乙個非零。

iir數字濾波器具有下面幾個特點:

(1)系統的單位衝激響應h(n)為無限長的;

(2)系統函式h(z)在有限z平面上有極點存在;

(3)結構上存在著輸出到輸入的反饋,也就是結構上是遞迴型的。

iir濾波器的設計就是在給定的技術指標下去確定濾波器的階數n和係數。在已滿足給定的技術指標下,應選用階數盡可能低的濾波器,因為濾波器的階數越低,在實現時成本就越低。

在設計iir濾波器時,最常用的方法是利用模擬濾波器來設計數字濾波器。其原因為:

(1)模擬濾波器的設計技術相對成熟,可以廣泛利用;

(2)模擬濾波器有大量的參考程式和**;

(3)它的解可以為閉合形式的。

有限長單位衝激響應濾波器,即 fir 數字濾波器具有下面幾個特點:

( 1)系統的單位衝激響應 h(n)在有限個 n 值處不為零;

( 2)系統函式 h(z)在|z|>0 處收斂,在|z|<=0 處只有零,即有限 z 平面上只有零點,全部極點都在 z=0 處(因果系統)

( 3)沒有輸出到輸入的反饋,但有些結構中(例如頻率抽樣結構)也包含有反饋的遞迴部分

fir 濾波器是指在有限範圍內系統的單位脈衝響應 h[k],僅有非零值的濾波器。 m 階 fir 濾波器的系統函式 h(z)為:

其中 h(z)是z的 m 階多項式,在有限的 z 平面內 h(z)有 m 個零點,在 z 平面原點 z=0 有 m 個極點!

fir 濾波器的頻率響應 h(jω):

它的另外一種表示方法為:

前者代表濾波器的幅頻響應,後者代表濾波器的相頻響應!

若系統的相位響應φ(ω)

滿足下面的條件:

即系統的群延遲是乙個與頻率ω沒有關係的常數a ,稱為系統 h(z)具有嚴格線性相位。 由於嚴格線性相位條件在數學層面上處理起來較為困難,因此在 fir 濾波器設計中一般使用廣義線性相位

如果乙個離散系統的頻率響應 h 可以表示為:

系統具有線性相位的充要條件

當h[k]滿足h[k]=h[m-k],稱 h[k]偶對稱當h[k]滿足 h[k]=-h[m-k],稱 h[k]奇對稱按階數 h[k]又可分為 m 奇數和 m 偶數,所以線性相位的 fir 濾波器可以有四種型別。具體如下表所示:

(1)iir 濾波器 h(n)無限長,fir 濾波器 h(n)有限長。

(2)在技術指標相同的條件下, iir 濾波器的輸出對輸入有反饋,所以可以用比fir 少的階數來滿足要求,儲存單元少,運算次數也少,經濟實惠。

(3)fir 濾波器的相位是嚴格線性的,iir 濾波器做不到這一點, iir 濾波器的選擇性越好,其相位的非線性越嚴重。

(4)fir 濾波器主要採用非遞迴結構,有限精度的運算誤差很小。而 iir 濾波器在運算中會產生寄生振盪。

(5)fir 濾波器可以使用快速傅利葉變換演算法,而 iir 濾波器不能這樣。

(6)iir 濾波器可以利用模擬濾波器的公式、資料和**,計算量小。 fir 濾波器設計時往往要借助計算機。

(7)iir 濾波器極點位於 z 平面任意位置,而 fir 濾波器極點固定在原點。

(8)iir 濾波器用於設計規範化的選頻濾波器, fir 濾波器可設計各種幅度特性和相頻特性的濾波器。

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