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1、第十章 模拟与数字滤波器,一、滤波器的功能 滤波器的功能是对输入信号进行滤波以增强所需信号部分，抑制不要的部分。 二、模拟滤波器（AF） 是指输入输出均为模拟信号，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 者滤除某些频率成分的器件。,10.1 引言,三、数字滤波器（DF） 是指输入输出均为数字信号，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某些频率成分的器件。,四、滤波器分类,四种基本滤波器为低通（LP）、高通（HP）、带通（BP）和带阻滤波器（BRF）：,数字滤波器分类,低通 高通 带通 带阻,五、用数字滤波方法处理模拟信号 六、主要内容 AF的设计 DF的设
2、计,限带 滤波,A/D,数字滤波,D/A,平滑 滤波,Xa(t),PrF,ADC,DSP,DAC,PoF,Ya(t),10.4 模拟滤波器的设计,模拟滤波器,巴特沃斯 Butterworth 滤波器,切比雪夫 Chebyshev 滤波器,频率响应特性 及性能指标,系统函数,一、实际模拟低通滤波器的特性,：通带内允许误差,：阻带衰减,：通带截止频率,：阻带截止频率,二、,Ha(s) Ha(-s)的零极点分布,（1） 的极点在s平面的左半平面；,（2） 的零点在s平面的左半平面；,（3）虚轴上的零点取一半；,（4）系数为原系数开平方根。,例：,解：,极点：,零点： （二阶）,零点：,的极点：,三、
3、Butterworth滤波器,1、逼近函数：,称Wc为Butterworth低通滤波器的3分贝带宽,N为滤波器的阶数,Wc为通带截止频率,2.幅频特性,通带内幅度特性平坦，单调减小；,过渡带及阻带内快速单调减小；,当WWs（阻带截止频率）时，衰减的d2为阻带最小衰减,N越大，越接近理想特性,Butterworth滤波器是一个全极点滤波器，其极点：,3.幅度平方函数的极点分布：,极点在s平面呈象限对称，分布在Buttterworth圆上， 共2N点;极点间的角度间隔为,极点不落在虚轴上，前N个极点落在s平面的半平面,N为奇数，实轴上有极点，N为偶数，实轴上无极点,Ha(s) Ha(-s)的零极点
4、分布 (a) N=3 (三阶） (b)N=4 （四阶）,4、滤波器系统函数Ha(s) 的确定：,Ha(s) 的确定的方法： 方法一：直接求取 方法二：根据N查P186表101，得 ，,5、Butterworth滤波器设计步骤：,(2)根据 求出滤波器阶数N：,(1)确定技术指标：,(3)根据阻带衰减 确定 ：,(4)根据N查P186表101，得 ，,N：滤波器的阶数,Wc ：截止频率，不一定为3dB带宽,0e1，表示通带波纹大小，e越大，波纹越大,TN(x) ：N阶Chebyshev多项式,Type I Chebyshev,四、Chebyshev滤波器,1、逼近函数：,切比雪夫多项式特点： (
5、1)当|x|1时，TN(x) 随x单调上升; (3) (4),2、幅频特性：,，N为偶数,，N为奇数,通带内：在1和 间等波纹起伏,通带外：迅速单调下降趋向0,（1）,（2）,（3）,（4）,3.幅度平方函数的极点分布：,令：,记：,则：,极点不落在虚轴上，前N个极点落在s平面的左半平面,极点在s平面呈象限对称，分布在椭圆上，共2N点,其中：,所以：,4、滤波器系统函数Ha(s) 的确定：,Ha(s) 的确定的方法： 方法一：直接求取 方法二：根据N、 查P196表104，得 ，,5、Chebyshev滤波器设计步骤：,(3)根据 求出滤波器阶数N：,(1)确定技术指标：,(2) 根据 确定
6、：,(4)根据N、 查P196表104，得 ，,设计思想：,s 平面 z 平面,模拟系统 数字系统,设计步骤： 1、数字滤波器的性能指标 模拟滤波器的性能指标 2、设计模拟原型滤波器 3、 4、通过算法实现H(z),10.6 无限冲激响应（IIR）数字滤波器,两种设计方法：,- 冲激响应不变法,- 双线性变换法,1、原理,数字滤波器的单位冲激响应h(n) 模仿模拟滤波器的单位冲激响应ha(t),T抽样周期,一、冲激响应不变法,系数相同：,极点：s 平面 z 平面,k,2、稳定性与逼近程度 1）、稳定性不变 AF稳定: DF稳定：,2）、逼近程度,当T 很小时，数字滤波器增益很大，易溢出，需修正
7、,3、修正,4、设计步骤,DF性能指标,AF性能指标,（1）指标转换,（3）,（2）设计AF,试用冲激响应不变法，设计IIR数字滤波器,例：设模拟滤波器的系统函数为,解：,设T = 1s，则,优点：,缺点：,保持线性关系：w=WT 线性相位模拟滤波器转变为线性相位数字滤波器,频率响应混迭 只适用于限带的低通、带通滤波器,h(n)完全模仿模拟滤波器的单位抽样响应ha(t) 时域逼近良好,5、优缺点,二、 双线性变换法,冲激响应不变法：时域模仿逼近缺点是产生频率响应的混叠失真 为了克服这一缺点，采用双线性变换法。 使数字滤波器的频率响应与模拟滤波器的频率响应相似,设计思想,1、脉冲响应不变法的主要
8、缺点：对时域的采样会造成频域的“混叠效应”，故有可能使所设计数字滤波器的频率响应与原来模拟滤波器的频率响应相差很大，而且不能用来设计高通和带阻滤波器。,原因：从S平面到Z平面的映射是多值映射关系,脉冲响应不变法映射过程图示,2、双线性变换法的改进： 为避免频率的“混叠效应” ，分两步完成S平面到Z平面的映射。 将S平面压缩到某一中介的S1平面的一条横带域 通过标准的变换将此横带域映射到整个Z平面上去。,双线性变换的映射过程图示,3、双线性变换法的基本思路： 从频率响应出发，直接使数字滤波器的频率响应 ，逼近模拟滤波器的频率响应 ,进而求得H(z)。,“双线性变换法”设计方法, 通过Z变换： 将
9、1映射到Z平面的单位圆上。, 通过正切变换： 将S平面的j轴压缩到S1平面的j1轴上的 内。, 将正切变换延拓到整个S平面，得到S平面到S1平面的映射关系：, 将S1平面按 映射到Z平面得到：, 令 或 以保低频处有较确切的对应关系：,4、稳定与逼近情况,（1）逼近情况,（2） 稳 定 情 况,代入,5、优缺点,优点：,避免了频率响应的混迭现象,2）双线性变换后，频率响应产生了畸变，但通带阻带仍为常数特性，不受影响，只是临界频率点产生畸变。,缺点：除了零频率附近，W与w之间严重非线性,预畸变,给定数字滤波器的截止频率 wc，则,按Wc设计模拟滤波器，正好映射到wc为截止频率的数字滤波器,6、设
10、计步骤,DF性能指标,AF性能指标,（1）指标转换,（3）,（2）设计AF,Pn161,10.7 有限冲激响应（FIR）数字滤波器,线性相位FIR滤波器的特点 窗函数设计法,IIR数字滤波器：,可以利用模拟滤波器设计,但相位非线性,FIR数字滤波器：,可以严格线性相位,因果稳定系统,可用FFT计算,但阶次比IIR滤波器要高得多,FIR滤波器的单位冲激响应：,系统函数：,在 z 平面有N 1 个零点,在 z = 0 处是N 1 阶极点,一线性相位特性,1.无失真传输条件,单位冲激响应 为实数，且关于 奇对称或偶对称,即,2.获取线性相位的条件,（1）h(n)偶对称，N为奇数,其中:,g,(2)
11、h(n)偶对称，N为偶数,其中，,g,g,(3)h(n)奇对称，N为奇数,其中,g,g,其中：,(4) h(n)奇对称，N为偶数,g,g,一、设计思想 先给定理想filter的频响 ，所要求设计一个 FIR的filter的频响为 ，使 逼近 二、设计原理 设计是在时域进行的，先用傅氏反变换求出理 想filter的单位抽样响应 ，然后加时间窗 对 截断，以求得FIR filter的单位冲激响应h(n)。,7-3 窗函数设计法,或,三、窗函数 1、基本概念 （1）窗谱：窗函数的频响的幅度函数亦称作窗谱。 （2）对窗函数要求 a）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。
12、 b）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。 2、矩形窗 时域表达式： 频域表达式（频谱）： 幅度函数：,主瓣宽度,3、三角形（Bartlett）窗 时域表达式：,1,0 1 2 3 4,频谱：,第一对零点为 ，即 ， 所以主瓣宽度 ，比矩形宽一倍。,4、汉宁窗（升余弦窗）,旁瓣较大程度地互相抵消，但主瓣宽度为,5、海明窗，（改进升余弦窗） 其窗函数为 频率响应的幅度函数为 其主瓣宽度仍为 ，（旁瓣峰值/主瓣峰值）1% 有99.963%的能量集中在主瓣内。,四、设计步骤 （1）给定频响函数 （2）求出单位冲激响应 （3）根据过渡带宽度和阻带最小衰减，查P342表7-3， 确定窗函数及N的大小：由阻带衰减率 确定 窗函数，由过渡带宽确定N。 （4）求 （5）求 ，检验是否达到所要求指标,例1：设计具有线性相位的FIR 低通滤波器，具体要求：,阻带衰减 -20dB,过渡带宽度为,
