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1、第九章第九章 数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应n9.1 有限字长效应及量化误差有限字长效应及量化误差 n9.2 数字滤波器系数量化误差分析数字滤波器系数量化误差分析n9.3 定点运算定点运算IIR和和FIR数字滤波器误差分析数字滤波器误差分析n9.4 浮点运算数字滤波器和浮点运算数字滤波器和FFT算法中的有算法中的有限字长效应限字长效应柱肪臂讨烛冒卞澜波探痊夫纪讶窄澈汇胸盟腾躬物辈炒陕吾艳扬卫子谓身数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应1内容提要内容提要n量化误差量化误差 (1) A/D变换器中的量化误差。变换器中的量化误差。 (2) 滤波器的系数量化
2、误差。滤波器的系数量化误差。 (3) 运算中的量化误差。运算中的量化误差。 n研究研究有限字长效应目的有限字长效应目的： （1）若字长固定，进行误差分析，可知结果的可信）若字长固定，进行误差分析，可知结果的可信度，否则若可信度差，要采取改进措施。度，否则若可信度差，要采取改进措施。 （2）用专用）用专用DSP芯片实现数字信号处理时，定点与芯片实现数字信号处理时，定点与硬件采用字长有关。硬件采用字长有关。洗涌皂汹京残韭协枯巫酒淋尹询颅养蛮憋婚伙暖肩橇门尿翻钮屡喂蛮诌斗数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应29.1有限字长效应及量化误差有限字长效应及量化误差n9.1.1 9.1.
3、1 有限字长效应有限字长效应n9.1.2 9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差n9.1.3 A/D9.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应巩比箭掩进贝赤惭盟韶浙廊棉菠宦殷爪氖姬惨弊腺胺吉跟裂爸荚挖赃噪箭数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应39.1.1 有限字长效应有限字长效应n信号处理在具体实现时，信号处理在具体实现时，字长总是有限的字长总是有限的，因为，因为存储器是有限字长的，所以有限字长效应有存储器是有限字长的，所以有限字长效应有DF的有限字长效应、的有限字长效应、DFT（FFT）有限字长效应、）有限字长效应、A/D变换器的变换器的量化误差量化误差。即
4、有限字长意味着：有。即有限字长意味着：有限运算精度和有限动态范围。在量化和运算过程限运算精度和有限动态范围。在量化和运算过程中，由于有限字长必然产生误差，这些误差会给中，由于有限字长必然产生误差，这些误差会给数字信号处理的实现精度和滤波器稳定性带来不数字信号处理的实现精度和滤波器稳定性带来不良影响。良影响。n如一个线性、非移变、因果系统的差分方程为：如一个线性、非移变、因果系统的差分方程为：帛福囤干揩坡造栏近蚜粤胰嘻蒜登确红鸟盎肇汀钓谤声膏践蛀插浑捍匝稽数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应4n输入序列输入序列x x( (n n) )、输出序列、输出序列y y( (n n)
5、)以及方程中的系数以及方程中的系数a ai i、b bi i等，等，认为它们的数值是可以连续变化的，即：无限精度。认为它们的数值是可以连续变化的，即：无限精度。n但当具体实现一个离散系统时，无论用软件方式还是硬件方但当具体实现一个离散系统时，无论用软件方式还是硬件方式，都是以数字形式实现，因而都要对数据进行量化处理，式，都是以数字形式实现，因而都要对数据进行量化处理，即用有限字长来表示。即用有限字长来表示。n下面从数据的量化角度来分析误差来源及其影响。下面从数据的量化角度来分析误差来源及其影响。n数的表示方法有数的表示方法有定点制定点制和和浮点制浮点制。n定点制指的是数码中小数点的位置固定不变
6、，其不足是动态定点制指的是数码中小数点的位置固定不变，其不足是动态范围小，有溢出问题。而浮点制可以避免这个缺点，它的动范围小，有溢出问题。而浮点制可以避免这个缺点，它的动态范围大，可以避免溢出，不需要比例因子。态范围大，可以避免溢出，不需要比例因子。n浮点制是将一个数表示成尾数和指数两部分。在浮点制运算浮点制是将一个数表示成尾数和指数两部分。在浮点制运算中，不论是相乘还是相加，尾数的位数都可能超过寄存器长中，不论是相乘还是相加，尾数的位数都可能超过寄存器长度，都要做尾数的量化处理，因而都有量化误差。度，都要做尾数的量化处理，因而都有量化误差。9.1.1 有限字长效应有限字长效应镁倡辉功备撒跟理
7、艰猛赤唤挽贫颁识贪棱乙蔬粮愉景牧渴盈鳖翼标课座崩数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应59.1.1 有限字长效应有限字长效应 数的二进制编码形式有数的二进制编码形式有原码、反码和补码原码、反码和补码。 二进制编码长度比寄存器长度长时，要进行尾数二进制编码长度比寄存器长度长时，要进行尾数处理，处理的方法有处理，处理的方法有舍入法舍入法和和截尾法截尾法。 量化误差的大小及性质与数的表示方法、二进制量化误差的大小及性质与数的表示方法、二进制编码形式及具体尾数处理方法有关，更与寄存器的长编码形式及具体尾数处理方法有关，更与寄存器的长度有关。另外系统的结构不同，将会明显地影响系统度有关
8、。另外系统的结构不同，将会明显地影响系统输出的量化误差。输出的量化误差。 颇伐陪蛛搭梆险照坏炎蜒孵悔失当怂刚迭资嗅茅泊希拔秧疯邓摩坊西濒束数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应6 对于一个线性系统，有限字长效应造成数字信号处理输对于一个线性系统，有限字长效应造成数字信号处理输出的误差表现为：出的误差表现为：（一）如果被处理的是模拟信号（一）如果被处理的是模拟信号,则需经过模则需经过模/数转换器变成数转换器变成某一种编码方式的二进制数序列。某一种编码方式的二进制数序列。 取样取样和和量化量化是模是模/数转换器的两个主要过程。数转换器的两个主要过程。 量化过程可以模型化为取样序列
9、叠加上量化噪声，从而量化过程可以模型化为取样序列叠加上量化噪声，从而得到量化信号。对于一个线性系统，量化后的信号经滤波后得到量化信号。对于一个线性系统，量化后的信号经滤波后得到的输出信号得到的输出信号y(n)为两部分之和，一部分是输入信号为两部分之和，一部分是输入信号x(n)通过滤波器产生的输出通过滤波器产生的输出:y(n)= x(n) *h(n),另一部分是量化另一部分是量化噪声噪声e(n)通过滤波器产生的输出通过滤波器产生的输出:e0=e(n)*h(n),这里这里h(n)为为是滤波器的冲激响应。即，输入信号的量化在滤波器输出端是滤波器的冲激响应。即，输入信号的量化在滤波器输出端引起了噪声，
10、这个噪声的大小与输入信号量化时的字长有关引起了噪声，这个噪声的大小与输入信号量化时的字长有关系。系。9.1.1 有限字长效应有限字长效应底啥傈穷腊存慢春潜箍昨艰波镶条韶连驳侩豺姑君鹃瘸吠津煽辗惑独敷葱数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应7n（二）二）系统中滤波器系数的量化处理，即用有系统中滤波器系数的量化处理，即用有限位二进制数来表示，则必然会引入量化误差。限位二进制数来表示，则必然会引入量化误差。n 对于某些结构类型的滤波器（例如，具有对于某些结构类型的滤波器（例如，具有反馈支路的递归滤波器结构）来说，其反馈支路的递归滤波器结构）来说，其零点零点和和极点极点的位置对于滤波
11、器系数的变化特别敏感，的位置对于滤波器系数的变化特别敏感，因而滤波器系数由于量化误差引起的微小改变，因而滤波器系数由于量化误差引起的微小改变，都有可能对滤波器的频率响应特性产生很大的都有可能对滤波器的频率响应特性产生很大的影响，尤其是在单位圆内且非常靠近单位圆的影响，尤其是在单位圆内且非常靠近单位圆的极点，一旦由于滤波器系数的量化误差，使这极点，一旦由于滤波器系数的量化误差，使这些极点跑到单位圆上或圆外时，滤波器就失去些极点跑到单位圆上或圆外时，滤波器就失去了其原有的稳定性。了其原有的稳定性。9.1.1 有限字长效应有限字长效应判焕阵与茨弛趴阑秘姆畦斋奉昭蠕嗣厚琉煤航怯魏估塌卖易倔臻票丢彰杜数
12、字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应8n（三）（三）采用采用“截尾截尾”或或“舍入舍入”的处理方法将运算结果依据的处理方法将运算结果依据寄存器字长的大小进行处理，这会引入截尾误差或舍入误差。寄存器字长的大小进行处理，这会引入截尾误差或舍入误差。 有限字长效应造成的误差，与以下几个问题有关：有限字长效应造成的误差，与以下几个问题有关：n量化方式是截尾还是舍入；量化方式是截尾还是舍入；n负数用二进制数的原码表示，还是用反码或补码表示；负数用二进制数的原码表示，还是用反码或补码表示；n算术运算是用定点运算还是用浮点运算；算术运算是用定点运算还是用浮点运算；n采用什么类型的系统结构采
13、用什么类型的系统结构 (例如，对于数字滤波器来说，例如，对于数字滤波器来说，是采用递归结构还是非递归结构，是采用高阶直接实现的结是采用递归结构还是非递归结构，是采用高阶直接实现的结构还是采用由低阶节组成的级联结构或并联结构构还是采用由低阶节组成的级联结构或并联结构)。9.1.1 有限字长效应有限字长效应虽锯以写即桑斑茵叠卞要茁脏唤幢径久茄座橱侈喊辊熙季柱绞抛忘纬盒钞数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应99.1.2 信号的量化误差信号的量化误差在实际应用中待处理信号往往都是一些模拟信号：在实际应用中待处理信号往往都是一些模拟信号：n 声音、图像、电压、水流、气温、压力、心电图
14、等。声音、图像、电压、水流、气温、压力、心电图等。n 借助借助A/D转换转换将模拟信号转变成数字信号，然后再进将模拟信号转变成数字信号，然后再进行后续的相关处理。如有必要再通过行后续的相关处理。如有必要再通过D/A转换转换，将数字，将数字信号还原为可听、可视的模拟信号。信号还原为可听、可视的模拟信号。n 在这种转换过程当中，时域采样是数字技术处理连续在这种转换过程当中，时域采样是数字技术处理连续信号的重要环节。信号的重要环节。采样采样就是指利用就是指利用“采样器采样器”从连续信从连续信号中号中“抽取抽取”信号的离散序列样值，即称之为信号的离散序列样值，即称之为“采样采样”信号。信号。“采样采样
15、”也称也称“取样取样”、“抽样抽样”。采样信号在。采样信号在时间上离散化了，但它还不是数字信号，还须经过量化时间上离散化了，但它还不是数字信号，还须经过量化编码才能转变为数字信号。即要将模拟信号编码才能转变为数字信号。即要将模拟信号抽样和量化抽样和量化，使之转换成一定字长的数字序列值信号。使之转换成一定字长的数字序列值信号。讶瘦陈耶袁沙杨耽耘阻干峪选稀隔守偏巾宫喧骂钡峡王宴惑募掌腻楔岂寓数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应10n数字序列值用有限长的二进制数表示数字序列值用有限长的二进制数表示 例如序列值例如序列值(0.729156)10=(0.101110101010101
16、)2， 若限制用八位二进制数来表示，则为（若限制用八位二进制数来表示，则为（0.10111010）2，而（而（0.10111010）2=（0.7265625）10，那么，那么， 引起的误差为：引起的误差为：0.729156-0.7265625=0.0025935，该，该误差称为误差称为量化误差。量化误差。 这是在二进制数的存储方面。这是在二进制数的存储方面。 另一方面，在定点制的乘法以及浮点制的加法和乘法在另一方面，在定点制的乘法以及浮点制的加法和乘法在运算结束后都会使字长增加，因而都需要再对运算结束后都会使字长增加，因而都需要再对尾数进行处理尾数进行处理，其误差取决于所用的二进制的位数其误差
17、取决于所用的二进制的位数b、数的运算方式（定点、数的运算方式（定点制或浮点制）、负数的表示法以及对尾数的处理方法。制或浮点制）、负数的表示法以及对尾数的处理方法。9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差楼射美坞匹侥酷敌呼吠乳澈而谎兼抠寓顽耍老姿继罩梆墙嗅怂泪致普备蔑数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应11 假设序列值用假设序列值用b+1位二进制数来表示，位二进制数来表示，其中用其中用1位来表示符号，用位来表示符号，用b位表示尾数，最位表示尾数，最小码位所表示的数值称为小码位所表示的数值称为“量化步阶量化步阶”或或“量化宽度量化宽度”，用，用来表示，则来表示，则q=2-b 。
18、 如果二进制编码的尾数长于如果二进制编码的尾数长于b，则必须，则必须要进行尾数处理，且处理成要进行尾数处理，且处理成b位，也即量化。位，也即量化。尾数处理有两种方法，即尾数处理有两种方法，即截尾法截尾法和和舍入法舍入法。9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差淑履张卸冕铆纶劫账闸遭蕴圈卫吗铃巴谐篡猿米羹趾该柄韶继渣选误韧诬数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应12n截尾法截尾法是将尾数的第是将尾数的第b+1位以及后面的二进制码全部略去。位以及后面的二进制码全部略去。n舍入法舍入法是按最接近的值取是按最接近的值取b位值，即将第位值，即将第b+1位按逢位按逢1进位，进位，逢逢0不
19、进位，然后略去后面的不进位，然后略去后面的b+1位。位。n显然这两种处理方法所引起的误差是不同的显然这两种处理方法所引起的误差是不同的。n对于定点制二进制数的对于定点制二进制数的舍入法舍入法，原码、反码和补码的量化误，原码、反码和补码的量化误差差ei是相同的，范围是：是相同的，范围是：-q/2eiq/2。n对于对于截尾法截尾法，不同的编码其量化误差，不同的编码其量化误差ei的范围也不相同：的范围也不相同：n定点制正数原码的量化误差定点制正数原码的量化误差ei的范围为：的范围为：-q ei 0；n定点负数原码的量化误差定点负数原码的量化误差ei的范围为：的范围为：0 ei q 。n定点补码的量化
20、误差定点补码的量化误差ei的范围为：的范围为：-q ei 0。9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差硅叠协媒沛爬螟牧亚灰格涝骑惊窑脾兄尾刀契驴藏罩脉萌钡贩滥咀咙纹列数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应131下面是定点制运算中的下面是定点制运算中的截尾误差截尾误差和和舍入误差舍入误差。9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差 （a a）补码）补码 （b b）原码、反码）原码、反码图图9-1 截尾处理的量化特性（截尾处理的量化特性（q=2-b）图图9-2 9-2 舍入处理的量化特性舍入处理的量化特性堆镍毒岗移蝉许叁咎仁桌沿睹颜献郸釉廊苍捅干娟堆窃质冉稀撵锁戊幂泻数字信号处理中
21、的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应14n表表9-1 定点运算中的截尾和舍入误差（定点运算中的截尾和舍入误差（q=2-b）9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差骸案砍枕腿钢抓垒虾锹诛后臂同哮俗醛寞目堕撵泼哮熊默按碧忌彤搁马膘数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应15n2浮点制运算中的截尾误差和舍入误差。浮点制运算中的截尾误差和舍入误差。n 表表9-2 浮定点运算中的相对误差浮定点运算中的相对误差9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差蛙嘱殴低搭野忽倡歇绒晕女溪缆磁坚伍莎瞩锤仔扯犬额勃置概痈错瞪殃炬数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应16n由以上分析
22、可以看出，舍入和截尾都产生非线性关系。由以上分析可以看出，舍入和截尾都产生非线性关系。n定点补码截尾法量化噪声的统计平均值为定点补码截尾法量化噪声的统计平均值为-q/2，相当于，相当于给信号增加了一个直流分量，从而改变了信号的频谱结给信号增加了一个直流分量，从而改变了信号的频谱结构；构；n而舍入法的统计平均值为而舍入法的统计平均值为0，这一点比定点补码截尾法好。，这一点比定点补码截尾法好。为了研究量化误差对数字信号处理系统精度的影响，必为了研究量化误差对数字信号处理系统精度的影响，必须了解舍入和截尾误差的特型，一般最方便的方法是把须了解舍入和截尾误差的特型，一般最方便的方法是把这些量化误差看成
23、随机变量，对每种误差求出概率密度这些量化误差看成随机变量，对每种误差求出概率密度函数，并进行较为合理的假设，即量化误差在整个可能函数，并进行较为合理的假设，即量化误差在整个可能出现的范围内是等概率的，也就是均匀分布的。对于定出现的范围内是等概率的，也就是均匀分布的。对于定点制，变量为绝对误差点制，变量为绝对误差ET ，对于浮点制，变量为相对误，对于浮点制，变量为相对误差差R。9.1.2 信号的量化误差信号的量化误差陌牢圾钓琢逝拷跑肇饥砾媚幽悲芜莱堵趟歪奴枝撅滔异恍母铝甲耍酋育悼数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应179.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应 A
24、/D（模（模/数）变换器完成的是将模拟信号转换成数字数）变换器完成的是将模拟信号转换成数字信号的作用，即将输入的模拟信号信号的作用，即将输入的模拟信号x(t)转换为转换为b位二进制数位二进制数字信号。变换器字信号。变换器位数有限位数有限，因此存在量化误差。分析，因此存在量化误差。分析A/D变变换器换器 量化效应的目的量化效应的目的在于选择合适的字长，以满足信噪比指在于选择合适的字长，以满足信噪比指标。标。 假设用假设用e(n)表示量化误差，表示量化误差，x(n)表示没有量化误差的抽表示没有量化误差的抽样序列数字信号（即无限精度），量化器对每个抽样序列样序列数字信号（即无限精度），量化器对每个抽
25、样序列x(n)进行截尾或舍入的量化处理，用表示量化编码后的信号，进行截尾或舍入的量化处理，用表示量化编码后的信号，则则 = x(n)+ e(n) x(n)是有用信号，是有用信号，e(n)呈现噪声的特点，相当于在呈现噪声的特点，相当于在A/D变换器中引入一个噪声源。这样变换器中引入一个噪声源。这样A/D变换器的输出中除了有变换器的输出中除了有用信号以外，还增加了一个噪声信号。用信号以外，还增加了一个噪声信号。 滞福迁痈背猜妻势母夜动皖杯武齿裹豫腋火赋裙富机埃境寇呆俄团咨及镀数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应18nA/D变换器的统计模型如图变换器的统计模型如图9-3所示。图中
26、的理想所示。图中的理想A/D变换器没有量化误差，实际中的量化误差是在变换器没有量化误差，实际中的量化误差是在输出端叠加一个等效的噪声源输出端叠加一个等效的噪声源e(n)。n 图图9-3 A/D变换器的统计模型变换器的统计模型9.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应支烈锨催编甚账浓垫紧关遥应孽诣犹错级奈蝴冲巧构壹姻阶泻睹溉射源谢数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应19n 由于在抽样模拟信号的数字处理中，把量化噪由于在抽样模拟信号的数字处理中，把量化噪声看成相加性噪声序列，量化过程看成是无限精度声看成相加性噪声序列，量化过程看成是无限精度的信号与量化噪声的叠加，因
27、而的信号与量化噪声的叠加，因而信噪比信噪比是一个衡量是一个衡量量化效应的重要指标。量化效应的重要指标。9.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应喜协到禽门涎兹羡返柄两深戍癌延掺跃搔洛对结橙密胯桑泥厄蚁劈貌幌喧数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应20n一般一般A/D变换器采用定点制，尾数采用舍入变换器采用定点制，尾数采用舍入法。若共有法。若共有b+1位，符号占位，符号占1位，尾数为位，尾数为b位，位，量化步阶为量化步阶为q=2-b。为了简化分析，对该模。为了简化分析，对该模型做如下假设：型做如下假设：n（1）e(n)是白噪声序列；是白噪声序列；n（2）e(n)与与
28、x(n)不相关；不相关；n（3）e(n)在自己的取值范围在自己的取值范围 内呈均匀分布。内呈均匀分布。 9.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应锦青袖短蚕孺傅剑乒另澳挺庐盼蝴猴赢匙扁主姚冗公豢伤龋炳怔队高丰釜数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应21n图图9-4给出的是舍入量化噪声概率密度函数曲线。给出的是舍入量化噪声概率密度函数曲线。e(n)的统计平均值为的统计平均值为 =0，平均功率（即均方差），平均功率（即均方差）为为 。A/D变换器的输出变换器的输出信噪比信噪比S/N 用信号平均功率与舍入量化噪声的平均功率之比用信号平均功率与舍入量化噪声的平均功率之比
29、表示，即表示，即 则信噪比的分贝数为：则信噪比的分贝数为： （9-1）9.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应龟姚磋最家怔围辛掖鸯椒象府佬陆瘫蜒撂狗夫骆萄炳藩腆玄亚妄坐妖就馈数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应22n上式表明上式表明：n（1）A/D变换器输出的信噪比与变换器输出的信噪比与A/D变换器的变换器的字长有关；（字长有关；（2）与输入信号的平均功率有关。）与输入信号的平均功率有关。n结论为结论为：（：（1）A/D变换器量化字长每增加变换器量化字长每增加1位，位，输出信噪比约可以提高输出信噪比约可以提高6dB。但是。但是b受到输入信受到输入信号的信噪比的
30、限制；（号的信噪比的限制；（2）输入信号越大则输出）输入信号越大则输出信噪比越高。但一般信噪比越高。但一般A/D变换器的输入都有一定变换器的输入都有一定的动态范围限定，否则过大的动态范围，会发生的动态范围限定，否则过大的动态范围，会发生限幅失真。实际应用中线性限幅失真。实际应用中线性A/D一般要求一般要求12位位以上满足通信要求，非线性以上满足通信要求，非线性A/D一般要求一般要求8位以位以上满足通信要求。上满足通信要求。9.1.3 A/D变换器中的量化效应变换器中的量化效应虚掣陕驰褒节幕训纸腺缅绞问霉看宁戒袒御旅喜醉钞裸盾饱遂魔赁贸语闺数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应
31、23n 9.2.1 9.2.1 系数量化误差对滤波器稳定性的影响系数量化误差对滤波器稳定性的影响n 9.2.2 9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响响9.2 数字滤波器系数量化误差分析数字滤波器系数量化误差分析壤濒洒黍柑咙弃食扬陨酵嘘杯吐睫妮饲奸锁没来怪渡爱氢鸭惭寨母蚁芳耪数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应24n前面讨论中，在设计理想数字滤波器时，各滤波器系数前面讨论中，在设计理想数字滤波器时，各滤波器系数bk，ak都是无限精度的。都是无限精度的。n但实际实现系统函数时，滤波器系数都是被量化了的，所有但实际实现系统函数时，
32、滤波器系数都是被量化了的，所有系数只能用有限字长的二进制数来表示。系数只能用有限字长的二进制数来表示。n系数的量化误差系数的量化误差，在不同程度上使滤波器的，在不同程度上使滤波器的零点和极点零点和极点偏离偏离设计中预定的位置，从而影响到滤波器的频率特性偏离设计设计中预定的位置，从而影响到滤波器的频率特性偏离设计的要求，在量化误差严重时，如果的要求，在量化误差严重时，如果z平面单位圆内极点偏移平面单位圆内极点偏移到单位圆外，使滤波器性能不稳定而无法使用。到单位圆外，使滤波器性能不稳定而无法使用。n系数量化效应对滤波器性能的影响与寄存器的字长有直接的系数量化效应对滤波器性能的影响与寄存器的字长有直
33、接的关系，并且和滤波器结构形式也同样密切相关。选择合适的关系，并且和滤波器结构形式也同样密切相关。选择合适的系统结构，可以减小系数量化带来的影响，帮助我们选择合系统结构，可以减小系数量化带来的影响，帮助我们选择合适的字长，为滤波器的工程实现提供依据，从而设计出符合适的字长，为滤波器的工程实现提供依据，从而设计出符合频率响应指标要求的系统。频率响应指标要求的系统。9.2 数字滤波器系数量化误差分析数字滤波器系数量化误差分析吕红普肌焉薪挝聚珠寸诽加杠曳鹿鸣植挎疫蒂迹腹壮践获躬屯娶辨区台抛数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应25n 滤波器的滤波器的稳定性稳定性取决于极点的位置，如
34、果系取决于极点的位置，如果系数量化误差使单位圆内的极点移到了单位圆上或数量化误差使单位圆内的极点移到了单位圆上或圆外，则滤波器的特性与所要求的频率响应不同，圆外，则滤波器的特性与所要求的频率响应不同，滤波器的稳定性就受到了破坏，显然，单位圆内滤波器的稳定性就受到了破坏，显然，单位圆内最靠近单位圆的极点最容易出现这种情况。最靠近单位圆的极点最容易出现这种情况。9.2.1 系数量化误差对滤波器稳定性的影响系数量化误差对滤波器稳定性的影响阵街篡谓裳怜攻毗荐遮迸肝颇汰吵佣蜜极溢燕厨麓碧锡坟入跌耪蜀板咱甘数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应26nFIR滤波器仅在滤波器仅在Z=0处有高
35、阶极点，没有其他极点，处有高阶极点，没有其他极点，因而系数量化误差将主要影响零点的位置，不会影因而系数量化误差将主要影响零点的位置，不会影响滤波器的稳定性。但对于响滤波器的稳定性。但对于IIR滤波器，一般存在滤波器，一般存在着许多极点，情况则不同，所以可以用系数量化引着许多极点，情况则不同，所以可以用系数量化引起极点、零点的位置误差来衡量一个网络结构对系起极点、零点的位置误差来衡量一个网络结构对系数量化灵敏度的影响。不同形式的系统结构，在相数量化灵敏度的影响。不同形式的系统结构，在相同的系数同的系数“量化步距量化步距”情况下，其量化灵敏度是不情况下，其量化灵敏度是不同的。同的。9.2.1 系数
36、量化误差对滤波器稳定性的影响系数量化误差对滤波器稳定性的影响（9-2） 却僳淌底埠莫浴联蠕障仟吃宠立瞳挝挞穷袭虹陇腆朗蛇栗闯叔乙惮披转邀数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应27n（9-2）式表示了一个无限精度的）式表示了一个无限精度的N阶直接型结构阶直接型结构的的IIR数字滤波器的系统函数，它具有窄带低通频数字滤波器的系统函数，它具有窄带低通频率特性。因此，该滤波器的极点都在单位圆内聚率特性。因此，该滤波器的极点都在单位圆内聚集在集在z=1附近。系数附近。系数ak和和bk是系统直接结构所求是系统直接结构所求出的无限精度的系数，量化造成的系数误差为出的无限精度的系数，量化造成
37、的系数误差为ar和和br，量化后的系数用，量化后的系数用 和和 表示，即表示，即n （9-3）9.2.1 系数量化误差对滤波器稳定性的影响系数量化误差对滤波器稳定性的影响膜旷磊纪鲁霸敬弟店蕊子悬锭剔墙温疯灸卞红寝屯探恩昨训摹柱谷土赃爷数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应28n则实际的系统函数可表示为则实际的系统函数可表示为:9.2.1 系数量化误差对滤波器稳定性的影响系数量化误差对滤波器稳定性的影响（9-4）吝沮谚瞧澎豪牙候躁梳迷殉仙弟遵遇献堡钟车缴算蛙呆厄镰安缩携衅鳃扣数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应29n从式（从式（9-4）可以看出，系数量化后的
38、频率响应已不）可以看出，系数量化后的频率响应已不同于最初设计的频率响应。同于最初设计的频率响应。n当用直接型结构来实现该滤波器时，系数当用直接型结构来实现该滤波器时，系数ak和和bk都将都将直接出现在信号流程图中，其中直接出现在信号流程图中，其中ak影响着极点的位置。影响着极点的位置。当由于系数量化误差使一个极点从单位圆内移动到单当由于系数量化误差使一个极点从单位圆内移动到单位圆上或单位圆外时，滤波器的稳定性即受到破坏。位圆上或单位圆外时，滤波器的稳定性即受到破坏。所以，只要有一个系数由于量化产生很微小的误差，所以，只要有一个系数由于量化产生很微小的误差，就有可能使系统失去稳定。反馈支路的阶次
39、就有可能使系统失去稳定。反馈支路的阶次N越高，越高，使滤波器失去稳定的系数量化误差的绝对值就越小，使滤波器失去稳定的系数量化误差的绝对值就越小，则越容易使滤波器变得不稳定。则越容易使滤波器变得不稳定。9.2.1 系数量化误差对滤波器稳定性的影响系数量化误差对滤波器稳定性的影响月聘级阅耸茎耶炉脊颅描载原鸽提让宝信绸区芝琳衍编锑陈煤诞曼奖艾省数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应30n系数量化误差系数量化误差导致实际的频率响应与理论上要求的导致实际的频率响应与理论上要求的频率响应不同，或者说表现在零点和极点位置偏离频率响应不同，或者说表现在零点和极点位置偏离了理论上规定的位置。了
40、理论上规定的位置。n引入引入极点位置灵敏度极点位置灵敏度的概念，来衡量每个极点位置的概念，来衡量每个极点位置对各系数量化偏差的敏感程度。对各系数量化偏差的敏感程度。n不同形式的系统结构，在相同的系数不同形式的系统结构，在相同的系数“量化步距量化步距”的情况下，其量化灵敏度是不同的。用同样的方法的情况下，其量化灵敏度是不同的。用同样的方法可以分析零点位置灵敏度，但极点对系统的影响更可以分析零点位置灵敏度，但极点对系统的影响更大，直接影响到系统得稳定性，所以更为人们所注大，直接影响到系统得稳定性，所以更为人们所注意和研究。因此，为了得到与理想频率特性尽可能意和研究。因此，为了得到与理想频率特性尽可
41、能接近的实际频率特性，应当选择极点和零点位置对接近的实际频率特性，应当选择极点和零点位置对系数量化误差最不敏感的那些结构形式。系数量化误差最不敏感的那些结构形式。9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响妖办涧蔡嗽渡剂魏吃偿雀予赞斋那诊可甜榷杰熔锁充歇辅菜壁镭掣俞蝶蘸数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应31n设滤波器的传输函数设滤波器的传输函数 由式（由式（9-4）给出，系数）给出，系数ak 和和bk经舍入量化后由式（经舍入量化后由式（9-3）给出，这里）给出，这里ak和和bk是量化误差。是量化误差。n 有有N个极点，用个极点，
42、用 （=1,2, N）表示。这样，）表示。这样，实际的滤波器的传输函数为实际的滤波器的传输函数为:9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响 （9-5）朱化甚啮沮碍狗蓉促屋写钳冒故猖船酸让雕尼幅帐撵院珊咀聂捂府宋失崖数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应32n上式中，上式中， 是第是第i个极点位置的偏移，称为个极点位置的偏移，称为极点误差极点误差，它是由它是由 系数量化误差引起的。系数量化误差引起的。 与与 之间的关系之间的关系是是:9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响式中，式中
43、， 得大小直接影响第得大小直接影响第k个系数偏差个系数偏差 所引起所引起的第的第i个极点偏差个极点偏差 的大小：的大小： 越大，越大， 越大。越大。也即也即 是说明第是说明第i个极点的位置对分母多项式中第个极点的位置对分母多项式中第k个系个系数的量化误差的敏感程度的一个量，称为数的量化误差的敏感程度的一个量，称为极点敏感度极点敏感度 。聂劣煞鹿敞买寒枢裹详纫请阵二罚鲍匙遮灸善蝎檬留莽摸灌害忘晦如程敞数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应33n经过推导可以得出经过推导可以得出灵敏度灵敏度和和极点极点的关系：的关系：9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对
44、滤波器零、极点位置的影响（9-6）崩吾袱今计中帛兢扩牟下眩漾尖熙剂鼻咯措宜誓掘撤窄恢浸瞩会面压疼成数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应34n上式即是系数量化偏差引起的第上式即是系数量化偏差引起的第i个极点的偏差。个极点的偏差。n说明了滤波器的第说明了滤波器的第i个极点的位置对传输函数分母多个极点的位置对传输函数分母多项式的第项式的第k个系数的量化误差的敏感程度与极点分布个系数的量化误差的敏感程度与极点分布的关系。此式只对单阶极点有效，多阶极点可进行类的关系。此式只对单阶极点有效，多阶极点可进行类似的推导。对于直接型结构，由于它的零点只取决于似的推导。对于直接型结构，由于它的
45、零点只取决于分子多项式的系数，因而对于零点可得到完全相似的分子多项式的系数，因而对于零点可得到完全相似的结果。结果。 9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响耻螺魏在功那包召辈来趴凯淬桥召庭圾咸位荆涉熙矿艘戏褂隔予估纽视受数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应35n具体来说，由式（具体来说，由式（9-6）可以得出以下）可以得出以下结论结论：n （1）分母多项式中，分母多项式中， 是极点是极点 指向极点指向极点 的矢量，整个分母是所有极点与第的矢量，整个分母是所有极点与第i个极点之间的矢个极点之间的矢量乘积。如果这些距离都很小即如
46、果所有量乘积。如果这些距离都很小即如果所有N个极点个极点都聚集在一起，那么距离的矢量乘积就很小，第都聚集在一起，那么距离的矢量乘积就很小，第i个个极点的位置对系数量化误差就非常敏感，即极点位极点的位置对系数量化误差就非常敏感，即极点位置灵敏度高，相应的极点偏差就大。置灵敏度高，相应的极点偏差就大。9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响教川肺宴心旗莆投皑倾砍哑雹干途精超器钨浇劳惋涧风墙必整涵射卑呵跋数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应36n（2）极点偏差与系统函数的阶数极点偏差与系统函数的阶数N有关，阶数越有关，阶数越高，滤波
47、器的极点位置对系数量化误差越敏感，高，滤波器的极点位置对系数量化误差越敏感，极点偏差也大。高阶直接型结构滤波器的极点数极点偏差也大。高阶直接型结构滤波器的极点数目多而密，低阶直接型结构滤波器的极点数目少目多而密，低阶直接型结构滤波器的极点数目少而稀疏，因而前者对系数量化误差要更加敏感，而稀疏，因而前者对系数量化误差要更加敏感，同理，并联型结构和级联型结构比直接型结构要同理，并联型结构和级联型结构比直接型结构要好得多。因此，高阶结构时，由于各二阶节相互好得多。因此，高阶结构时，由于各二阶节相互独立级联或并联的结构来实现，而很少采用直接独立级联或并联的结构来实现，而很少采用直接型结构。型结构。 9
48、.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响笆褪燥虑突货慢颤刑阉鸿东沂互瓢炳露恤借谚衍肄事兽搔届圃腹黑铺迫阎数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应37n（3）当采用二阶节级联或并联结构时，由于各二当采用二阶节级联或并联结构时，由于各二阶节相互独立，各有一对复共轭极点，特别是对于阶节相互独立，各有一对复共轭极点，特别是对于窄带带通滤波器来说，每对复共轭极点的两极点都窄带带通滤波器来说，每对复共轭极点的两极点都相距较远，因而系数量化误差对极点置的影响格外相距较远，因而系数量化误差对极点置的影响格外小。小。n 综上以上考虑综上以上考虑，为了
49、减小系数量化误差对极点，为了减小系数量化误差对极点位置的影响，系统的结构应当避免采用高阶的直接位置的影响，系统的结构应当避免采用高阶的直接型结构，而最好采用由一阶或二阶节构成的级联或型结构，而最好采用由一阶或二阶节构成的级联或并联结构来实现。这样可避免较多的零、极点集中并联结构来实现。这样可避免较多的零、极点集中在一起。通常为了能够独立地控制各节的极点或零在一起。通常为了能够独立地控制各节的极点或零点，多选用级联结构。点，多选用级联结构。9.2.2 系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响系数量化误差对滤波器零、极点位置的影响辜炼侗搔权容匝卵羡姥卸厉罢儒纺盖匣烂陨锰粱废兆剧鼎锁翱廷已港契曳数字信
50、号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应389.3定点运算定点运算IIR和和FIR数字滤波器误差分析数字滤波器误差分析n9.3.1 有限字长定点运算有限字长定点运算IIR滤波器的误差分析滤波器的误差分析n9.3.2 定点定点FIR滤波器的有限字长效应滤波器的有限字长效应掖役川橇爹秤摈浊蛤飘嘶刻排们格杂砾射湾扫铝惜勾柞烹泪藉曝信充遣祷数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应399.3 定点运算定点运算IIR和和FIR数字滤波器误差分析数字滤波器误差分析n 通过前面的讨论我们知道，系统的系数量化对通过前面的讨论我们知道，系统的系数量化对零、极点位置的改变，将导致系统频响特
51、性的改变。零、极点位置的改变，将导致系统频响特性的改变。利用零、极点位置敏感度无法直接得到频响特性的利用零、极点位置敏感度无法直接得到频响特性的偏差，尤其当系统为高阶的情况，其系数多且量化偏差，尤其当系统为高阶的情况，其系数多且量化误差具有随机特点，所以可以将系数量化误差等效误差具有随机特点，所以可以将系数量化误差等效为随机变量，通过采用统计方法估计高阶系统的性为随机变量，通过采用统计方法估计高阶系统的性能偏差。能偏差。痹椽还掏肝肆每缚涝尤恋羔骏岳渗暮赶扁丑使躇吗驳诚疯迹间秧绞谈久鸭数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应40n实现数字滤波器所包含的基本运算有实现数字滤波器所包
52、含的基本运算有延时延时、乘乘系数系数和和相加相加三种。三种。n延时运算由寄存器来完成，并不造成字长的变延时运算由寄存器来完成，并不造成字长的变化，而通常信号和滤波器的系数用有限字长定化，而通常信号和滤波器的系数用有限字长定点二进制小数表示，因此，滤波器主要涉及乘点二进制小数表示，因此，滤波器主要涉及乘系数和相加乘法和加法运算造成的影响。系数和相加乘法和加法运算造成的影响。n定点小数相加后字长不会增加，因此无需进行定点小数相加后字长不会增加，因此无需进行截尾或舍入处理；定点小数相加的溢出问题可截尾或舍入处理；定点小数相加的溢出问题可以通过乘以适当的比例因子的办法来解决。定以通过乘以适当的比例因子
53、的办法来解决。定点小数相乘没有溢出问题，但字长会增加，因点小数相乘没有溢出问题，但字长会增加，因此必须采用截尾或舍入处理。此必须采用截尾或舍入处理。9.3 定点运算定点运算IIR和和FIR数字滤波器误差分析数字滤波器误差分析啄叠谎挂于叫温砂涨扼韧窒实巨镀凿潮肄唱愤抨碘坷猖杏践更市凛涧敦鞠数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应41n每次进行定点小数乘法运算后，都会引入每次进行定点小数乘法运算后，都会引入截尾截尾或或舍入舍入噪声噪声，并最终在滤波器输出端反映出来。，并最终在滤波器输出端反映出来。n浮点制运算中，相加和相乘都有可能使尾数增加，故浮点制运算中，相加和相乘都有可能使尾数
54、增加，故都会有舍入或截尾，都会有舍入或截尾，引起运算量化误差引起运算量化误差，但，但不存在动不存在动态范围问题态范围问题。n舍入或截尾的处理是非线性过程，分析起来非常麻烦，舍入或截尾的处理是非线性过程，分析起来非常麻烦，精确计算不仅不大可能，也没有必要，因而采用统计精确计算不仅不大可能，也没有必要，因而采用统计方法，得到舍入或截尾的平均效果即可。下面通过讨方法，得到舍入或截尾的平均效果即可。下面通过讨论运算中的有限字长效应来分别分析定点运算论运算中的有限字长效应来分别分析定点运算IIR和和FIR数字滤波器误差情况。数字滤波器误差情况。9.3 定点运算定点运算IIR和和FIR数字滤波器误差分析数
55、字滤波器误差分析腾雷谬仇肝斤胶淳堵衍贷矛穆甘维涅凛族瘴念滤玩蕊动泞噪湾跨椿铂屋畅数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应429.3.1 有限字长定点运算有限字长定点运算IIR滤波器的误差分析滤波器的误差分析 在定点制中，把定点乘法运算后的截尾或舍入处在定点制中，把定点乘法运算后的截尾或舍入处理过程模型化为在精确乘积上叠加一个截尾或舍入量理过程模型化为在精确乘积上叠加一个截尾或舍入量化噪声。化噪声。 根据根据叠加原理叠加原理，滤波器输出端的噪声等于作用于，滤波器输出端的噪声等于作用于滤波器结构中不同位置上的量化噪声在输出端发生的滤波器结构中不同位置上的量化噪声在输出端发生的响应的
56、总和，这样仍可以用线性流图来表示，由此不响应的总和，这样仍可以用线性流图来表示，由此不难计算滤波器输出端的信噪比。采用图难计算滤波器输出端的信噪比。采用图9-5的统计模的统计模型。型。 智棱涣窟眩份硅倪乏枣镐搞狗瘦琅岔据蔚镣也筛珍喷穆掀这屠痈糕沥绥禾数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应43 在分析数字滤波器由于乘法舍入的影响时，需对在分析数字滤波器由于乘法舍入的影响时，需对各种各种噪声源作相关假设噪声源作相关假设： 系统中所有的运算量化噪声都是平稳的白噪声（均系统中所有的运算量化噪声都是平稳的白噪声（均值为零）；值为零）； 所有的运算量化噪声，以及和信号之间均不相关；所有的
57、运算量化噪声，以及和信号之间均不相关； 量化噪声在自己的量化范围内均匀分布。量化噪声在自己的量化范围内均匀分布。 9.3.1 有限字长定点运算有限字长定点运算IIR滤波器的误差分析滤波器的误差分析置贺缀广蜂贷挝缎徒摇撩常窝板憋聂滋伪馒疚抖摹棍娩霹寂痈柏环形恍寺数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应449.3.1 有限字长定点运算有限字长定点运算IIR滤波器的误差分析滤波器的误差分析图图9-5 定点制相乘运算模型定点制相乘运算模型（b） 实际乘法支路实际乘法支路及其量化的线性模型及其量化的线性模型（a）理想相乘）理想相乘付只妄膘漳训咬叙奔珐默版掳佣大皋漂晓沾滓匝料漓投笼窿钾血阜
58、姓踌帅数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应45当信号波形越复杂，量化步距越小时，这些假定越接当信号波形越复杂，量化步距越小时，这些假定越接近实际。根据这些假定，可认为舍入噪声是在范围近实际。根据这些假定，可认为舍入噪声是在范围 内均匀分布，内均匀分布，均值均值为为 ， 方差方差为为 ， 。9.3.1 有限字长定点运算有限字长定点运算IIR滤波器的误差分析滤波器的误差分析然后按照统计模型，利用白噪声通过线性系统来求解然后按照统计模型，利用白噪声通过线性系统来求解每一个噪声源所产生的输出噪声，为总输出噪声每一个噪声源所产生的输出噪声，为总输出噪声。 凡抒喉宇卉贰诵监吝犀恋近坚毋
59、郎芦心嫉担折驰酸里龄原瞪爸甥裔控辈硫数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应46 下面分别写出噪声源下面分别写出噪声源 所造成的输出噪声的方所造成的输出噪声的方差和均值：差和均值： 也可以利用也可以利用Z变换中的巴塞伐尔定理（变换中的巴塞伐尔定理（Parseval）得出下式得出下式9.3.1 有限字长定点运算有限字长定点运算IIR滤波器的误差分析滤波器的误差分析（9-8） （9-9） 总的输出噪声的方差也等于每个输出噪声方差之和总的输出噪声的方差也等于每个输出噪声方差之和 锭方藩徘贪膘霓莆害泻激捶吐咎擅酋奉睦涩捻蠕田棚脸傣箭刊骗柱骑挺瘟数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中
60、的有限字长效应479.3.2 定点定点FIR滤波器的有限字长效应滤波器的有限字长效应 用直接型或级联型等非递归结构实现用直接型或级联型等非递归结构实现FIR数字数字滤波器，由于滤波器，由于舍入噪声舍入噪声没有反馈环节的积累，故其没有反馈环节的积累，故其影响也就比同阶的影响也就比同阶的IIR滤波器小，通常采用统计模滤波器小，通常采用统计模型方法来分析有限字长效应。下面以横截型结构为型方法来分析有限字长效应。下面以横截型结构为例，分析例，分析FIR滤波器的量化噪声。滤波器的量化噪声。 N阶阶FIR数字滤波器直接型结构的统计模型如数字滤波器直接型结构的统计模型如图图9-9所示，系统函数为所示，系统函
61、数为:黔肉刀旬琵守己迢员藉辟膜耗库漆吃置浩哥蝉脖疗狞锈罐哉踏箭茸灵旬丘数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应48n系统差分方程为系统差分方程为:9.3.2 定点定点FIR滤波器的有限字长效应滤波器的有限字长效应（9-12） 图图9-9 FIR 系统直接形式舍入运算误差统计模型系统直接形式舍入运算误差统计模型垣生敖税邓黍冬偶漆迈弦痒埠陷蓟摈琴门津束昼凉臼形杯腐酸材汇隅磨佯数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应49n同样对各噪声作同样对各噪声作如下假设如下假设：n系统中所有的运算量化噪声都是平稳的白噪声（均系统中所有的运算量化噪声都是平稳的白噪声（均值为零）；值
62、为零）；n所有运算量化噪声，以及和信号之间均不相关；所有运算量化噪声，以及和信号之间均不相关；n量化噪声在自己的量化范围内均匀分布。量化噪声在自己的量化范围内均匀分布。n则此时输出为则此时输出为:9.3.2 定点定点FIR滤波器的有限字长效应滤波器的有限字长效应（9-13） 梨涸僧轴耙眨粗欺良瘸掺滚奴篡著励宰役逗音兑蛋违汇逗嫉凛涎穆耙崩泰数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应50n其中，其中， 分别为无限精度与乘积为有限精度情分别为无限精度与乘积为有限精度情况下的输出，况下的输出， 为输出噪声为输出噪声 9.3.2 定点定点FIR滤波器的有限字长效应滤波器的有限字长效应（9-
63、14） 从式（从式（9-13）可以知）可以知 :故输出噪声的方差（功率）为故输出噪声的方差（功率）为: （9-15) 逮囱跳卤零坝通断哑裸沙霉狭错嚎茵笑茶砧椎协襄筛稳敢塑尧脉酿堂休袁数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应51n结果表明结果表明:nFIR系统定点舍入运算误差直接到达输出端，与系系统定点舍入运算误差直接到达输出端，与系统的参数无关；统的参数无关；n由于由于q=2-L，故输出噪声与字长有关，也与滤波器，故输出噪声与字长有关，也与滤波器阶数有关。阶数有关。n滤波器阶数越高，字长越短，量化噪声也越大。滤波器阶数越高，字长越短，量化噪声也越大。9.3.2 定点定点FIR滤
64、波器的有限字长效应滤波器的有限字长效应冶歪逼僻婪酉黎稍沏儒榷诅钱龚避辣皋宜末宽舟观蝶苗副溪辈能幅臭滴遍数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应529.4 浮点运算数字滤波器和浮点运算数字滤波器和FFT算法中的算法中的有限字长效应有限字长效应n9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器n9.4.2 浮点运算浮点运算FIR数字滤波器数字滤波器n9.4.3 浮点运算浮点运算FFT算法算法秀婚硬蔽茧牺琢受上因芽担捣鹤靶饰翘仙隋遥到细佬娠凰馆缺招乒容账庙数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应539.4 浮点运算数字滤波器和浮点运算数字滤波器和FFT算法中的有
65、限字长效应算法中的有限字长效应n浮点计算中，不论加法或乘法，每次运算之后，都要浮点计算中，不论加法或乘法，每次运算之后，都要做一次尾数的舍入或截尾处理，由此引入误差。做一次尾数的舍入或截尾处理，由此引入误差。 n浮点运算具有以下特点浮点运算具有以下特点：n浮点数的动态范围宽，因而浮点运算一般不需要考浮点数的动态范围宽，因而浮点运算一般不需要考虑溢出问题；虑溢出问题；n进行浮点运算时，乘法和加固法运算结果的尾数字进行浮点运算时，乘法和加固法运算结果的尾数字长都会增加，因而必须进行截尾或舍入处理以限制字长都会增加，因而必须进行截尾或舍入处理以限制字长，通常用得较多的是舍入处理；长，通常用得较多的是
66、舍入处理；n量化误差不仅用绝对误差，而且较多的情况下要用量化误差不仅用绝对误差，而且较多的情况下要用相对误差来分析。相对误差来分析。 椿酪品主娠逃鹏容热颊孩胰沤仪吹翅腰串倡亥美伴僚粥庶毙恩篇例赘驹腥数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应54n 当用有限字长浮点运算来实现数字滤波器和当用有限字长浮点运算来实现数字滤波器和FFT算法算法时，加法运算和乘法运算都会引入舍入量化噪声，这时，加法运算和乘法运算都会引入舍入量化噪声，这些噪声可以用绝对误差来表示，这与定点运算的分析些噪声可以用绝对误差来表示，这与定点运算的分析方法相同，即把舍入量化作用等效为理想的精确计算方法相同，即把舍入
67、量化作用等效为理想的精确计算结果之上叠加一个噪声源。结果之上叠加一个噪声源。 n这个噪声源就舍入量化绝对误差序列这个噪声源就舍入量化绝对误差序列 ，即：，即：n n 是精确计算结果，是精确计算结果， 是舍入量化后的结果。是舍入量化后的结果。 9.4 浮点运算数字滤波器和浮点运算数字滤波器和FFT算法中的有限字长效应算法中的有限字长效应亭陶翁葡豆谗癌织讲苇坟捧愧太础竖抛鼻饲猿烙锦臆晨帮詹线汞庙电褪刊数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应55n浮点运算后的舍入量化作用，也可以用浮点运算后的舍入量化作用，也可以用 作为模型，作为模型， 是精确计算结是精确计算结果，果， 是舍入量化后
68、的结果，是舍入量化后的结果， 是舍入量化是舍入量化的相对误差的相对误差 ：9.4 浮点运算数字滤波器和浮点运算数字滤波器和FFT算法中的有限字长效应算法中的有限字长效应（9-16） 谦可舱瞒徽梯管标掌郴参恶津则化慢恫兼惯核劲臃众择瘟辛姜唱钟巢少森数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应56 对浮点运算来说，它有对浮点运算来说，它有两种统计模型两种统计模型：n 一种是以绝对误差与精确值相加来表示量化后的一种是以绝对误差与精确值相加来表示量化后的值，常称为加性误差模型或非移变模型，因为这种模值，常称为加性误差模型或非移变模型，因为这种模型是非移变系统。型是非移变系统。n 另一种是以
69、相对误差形成的系数与精确值相乘来另一种是以相对误差形成的系数与精确值相乘来表示量化后的值，常称为乘性误差模型或移变模型，表示量化后的值，常称为乘性误差模型或移变模型，因为这种模型是移变系统。因为这种模型是移变系统。 无论对数字滤波器或无论对数字滤波器或FFT算法，只要将以上两种算法，只要将以上两种模型的任一种引入算法流程图，即可对数字滤波器或模型的任一种引入算法流程图，即可对数字滤波器或FFT的浮点实现进行误差分析。的浮点实现进行误差分析。9.4 浮点运算数字滤波器和浮点运算数字滤波器和FFT算法中的有限字长效应算法中的有限字长效应冲氓郊乒递豫趋藻枝戴将骚车镶千虚捐档凋磐姓糕伐膜陕关娩旋城肢鸟
70、甩数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应57n 浮点运算实现时的统计模型，有非移变（加性浮点运算实现时的统计模型，有非移变（加性噪声）模型。与定点运算时的统计模型相比较，其噪声）模型。与定点运算时的统计模型相比较，其主要差别主要差别是在浮点运算统计模型中增加了两次加法是在浮点运算统计模型中增加了两次加法运算后引入的舍入误差（噪声）。运算后引入的舍入误差（噪声）。假设所有噪声源假设所有噪声源都是白噪声序列，它们与信号都是白噪声序列，它们与信号x(n)和和y(n)不相关，不相关，且它们在自己的取值范围内均匀分布且它们在自己的取值范围内均匀分布， 是浮点运是浮点运算舍入误差的算舍入
71、误差的 方差，根据假设，方差，根据假设， 在在 内均内均匀分布，因此匀分布，因此9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器其中，其中，q是量化间隔，是量化间隔， 。这里。这里b是尾数字长（不包含符号位）。是尾数字长（不包含符号位）。，循暑相醛能撮赠鹰嚏驳训晦织典匀柱赢谣距果萎豺牵朝碰黎刑观尧臆鹏珐数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应58n例如有一个例如有一个IIR低通滤波器，传递函数为低通滤波器，传递函数为n采用浮点舍入尾数处理，假设采用浮点舍入尾数处理，假设x(n)也是零均值平稳也是零均值平稳随机过程。则可以求得总的输出噪声的方差：随机过程。则可以求得总的输出
72、噪声的方差：n所以，计算滤波器的输出信噪比为：所以，计算滤波器的输出信噪比为： 9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器（9-17） 时隅愁摔末箩登缠昌贰俺登远仿汹莉贮非悼层姑轰坝盟著浦瘫蔡蔽疡煽刽数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应59n由这个例子可看出，用浮点运算实现由这个例子可看出，用浮点运算实现IIR数字数字滤波器，其输出信噪比只与字长有关，而与输滤波器，其输出信噪比只与字长有关，而与输入信号的强度无关，这与用定点运算实现入信号的强度无关，这与用定点运算实现IIR数字滤波器的情况不同，后者信噪比与输入信数字滤波器的情况不同，后者信噪比与输入信号的强度有
73、直接关系。号的强度有直接关系。n具体来说具体来说，当输入信号幅度下降时，输出信噪，当输入信号幅度下降时，输出信噪比将随之下降。因此，在定点比将随之下降。因此，在定点IIR数字滤波器数字滤波器中，为得到高的输出信噪比，应尽可能增大输中，为得到高的输出信噪比，应尽可能增大输入信号的幅度，唯一的限制是不能发生溢出。入信号的幅度，唯一的限制是不能发生溢出。9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器守贪篙湘酝限丈琅捂莉别峨藻哭玫蝉得鼻芯菇殿识咳炮乘歹月杨厉和寒衡数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应60n图图9-11所示的是浮点运算所示的是浮点运算N阶阶FIR数字滤波器的乘
74、数字滤波器的乘性噪声（移变）统计模型。这里采用直接型结构，性噪声（移变）统计模型。这里采用直接型结构，进行浮点乘法运算后引入的舍入量化噪声用乘以移进行浮点乘法运算后引入的舍入量化噪声用乘以移变系数变系数 来等效，进行浮点加法运算后引入的来等效，进行浮点加法运算后引入的舍入量化噪声，用乘以移变系数舍入量化噪声，用乘以移变系数 来等效。来等效。 和和 是舍入量化的相对误差，它们对应的绝对误是舍入量化的相对误差，它们对应的绝对误差都满足前面曾做过的几个假设条件；噪声源都是差都满足前面曾做过的几个假设条件；噪声源都是白噪声序列；噪声源互不相关也与滤波器输入信号白噪声序列；噪声源互不相关也与滤波器输入信
75、号和输出信号不相关；噪声源在误差取值范围内均匀和输出信号不相关；噪声源在误差取值范围内均匀分布。分布。 9.4.2 浮点运算浮点运算FIR数字滤波器数字滤波器荔淖傀粕茅偷辐牢搁钎窗祖牡尊查炳弃蜒愈辅舆李邵晌拈盒拼嵌渔脖班惧数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应61n滤波器的输出滤波器的输出：9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器图图9-11 FIR数字滤波器乘性噪声（移变）统计模型数字滤波器乘性噪声（移变）统计模型 （9-18） （9-19） y(n)是所有舍入量化噪声源在输出端产生的响应。是所有舍入量化噪声源在输出端产生的响应。 叉矢呆枪葡妒委遏切净糜撩举券
76、鹰炒会昔茁枯发支碑络前窍缉挂蓟有荷拘数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应62n滤波器输出滤波器输出w(n)的表达式为：的表达式为：9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器（9-20） f(n)的均值为：的均值为：其中，其中， 是是x(n)的方差。由于的方差。由于利胆抗缘村次敲嫉凋其伦哟路轻皿跨伤狮酌究好咀足争诌科肄憋铲僧识谭数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应63n故有故有 ：n这样，估计滤波器输出信噪比的下限：这样，估计滤波器输出信噪比的下限：n浮点运算浮点运算FIR滤波器的这个性质与定点运算滤波器的这个性质与定点运算FIR滤滤波器不同，
77、后者输出噪声方差的大小与乘积波器不同，后者输出噪声方差的大小与乘积h(k)x(n-k)的计算次序和累加次序无关。的计算次序和累加次序无关。9.4.1 浮点运算浮点运算IIR数字滤波器数字滤波器 （9-33)搅循谭规母陋缚搞晦惋凝誉李饱味剩森管皂逛凛于辐孺眺癣敏兔吗挑副坠数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应64n与定点情况相同，对不同的与定点情况相同，对不同的FFT算法，相应的有限算法，相应的有限字长效应不同。仍以时间抽选基字长效应不同。仍以时间抽选基2FFT为例，图为例，图9-12所示的是单个蝶形浮点运算统计模型，图中符所示的是单个蝶形浮点运算统计模型，图中符号意义与定点运
78、算统计模型相同。号意义与定点运算统计模型相同。 9.4.3 浮点运算浮点运算FFT算法算法图图9-12 浮点运算统计模型浮点运算统计模型巧篓匙形痢框郴形讣斤枯盆框伐忱墓售辩掠虱绰俏皿槐狈锁循愈逾说跨咯数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应65 省略推导过程省略推导过程, 介绍几点介绍几点结论结论：n（1）浮点运算不论加法、乘法都产生误差。）浮点运算不论加法、乘法都产生误差。n（2）浮点制的输出节点噪声与其输入节点变量相关。）浮点制的输出节点噪声与其输入节点变量相关。因为前一级误差通过后一级碟形时其方差保持不变，因为前一级误差通过后一级碟形时其方差保持不变，所以浮点所以浮点FF
79、T总的输出误差与从输入总的输出误差与从输入x(n)到输出经过到输出经过的蝶形个数有关。的蝶形个数有关。n（3）相同尾数字长情况下，浮点信噪比比定点小，）相同尾数字长情况下，浮点信噪比比定点小，运算精度高。运算精度高。n（4）浮点信噪比不随信号幅度大小变化，这也是所）浮点信噪比不随信号幅度大小变化，这也是所有浮点制运算的共同特点。有浮点制运算的共同特点。9.4.3 浮点运算浮点运算FFT算法算法沫吠害斑沙蹋饱盒洽榜勺酪通谊焉吐中桌遂札梗晦莉责啦膳鸵流锑捅付写数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应66n（5）输出与级数成反比例关系。当级数不变时，）输出与级数成反比例关系。当级数不
80、变时，字长每增加字长每增加1位将信噪比提高为原来的位将信噪比提高为原来的4倍（因为）。倍（因为）。而用定点运算关系而用定点运算关系FFT时，输出信噪比与变换长度时，输出信噪比与变换长度N的平方成反比例关系，由于级数，所以级数增加一的平方成反比例关系，由于级数，所以级数增加一倍意味着变换长度倍意味着变换长度N增加原来的增加原来的4倍，因而输出信噪倍，因而输出信噪比下降为原来的比下降为原来的1/16；若在每级输入端插入；若在每级输入端插入1/2衰衰减，则输出信噪比与变换长度成反比例关系，因此，减，则输出信噪比与变换长度成反比例关系，因此，级数增加一倍使输出信噪比下降为原来的级数增加一倍使输出信噪比
81、下降为原来的1/4。由。由讨论得知，浮点运算讨论得知，浮点运算FFT的输出信噪比随着级数增的输出信噪比随着级数增加而下降，要比定点运算加而下降，要比定点运算FFT缓慢得多。缓慢得多。9.4.3 浮点运算浮点运算FFT算法算法旅痹谗央常邵昏打贰具下仁拨伞叉稀辅伐新舷攫讳灶甥企按爷廓唾摸活吐数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应67第九章第九章 数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应n本章小结本章小结n . 在实际的数字信号处理系统中，存在着一些处理在实际的数字信号处理系统中，存在着一些处理误差。这些误差可以用输出端的噪声来说明它们的影响。误差。这些误差可以用输
82、出端的噪声来说明它们的影响。这些误差主要为这些误差主要为A/D变换量化误差、计算结果的（乘积）变换量化误差、计算结果的（乘积）截尾误差、系数表示的量化误差。截尾误差、系数表示的量化误差。n . A/D量化的字长越长，则量化噪声越小。但量化的字长越长，则量化噪声越小。但A/D器件的量化的字长受其集成电路特性限制。一般字长越长，器件的量化的字长受其集成电路特性限制。一般字长越长，器件工作速度越慢。目前的器件工作速度越慢。目前的A/D器件，在音频范围内，字器件，在音频范围内，字长在长在1016bit。在视频范围内，字长在。在视频范围内，字长在612bit。n . 实际滤波器的计算系数使用有限精度数据
83、来表示，实际滤波器的计算系数使用有限精度数据来表示，也有量化误差。也有量化误差。IIR滤波器系数量化误差的影响会使得系统滤波器系数量化误差的影响会使得系统另、极点发生偏差。也就是，系统频率响应特性发生变化，另、极点发生偏差。也就是，系统频率响应特性发生变化，甚至可能使某些极点移出单位园，从而导致系统不稳定甚至可能使某些极点移出单位园，从而导致系统不稳定（FIR滤波器没有极点变化和稳定性问题）。滤波器没有极点变化和稳定性问题）。观赖僻鳖格践掺欧吝帘妥掸施淮谊赣带煤廊肯巡住淹瘪卜欺驹冗美仆物丈数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应68n . LTI系统的有限字长效应（有限字长误差
84、在输出信系统的有限字长效应（有限字长误差在输出信号中的影响）与有关。即与系统实现结构有关。号中的影响）与有关。即与系统实现结构有关。n . FIR滤波器的有限字长效应在输出端的影响与字长滤波器的有限字长效应在输出端的影响与字长L和阶数和阶数N有关，字长越短，阶数越高，输出误差噪声信号也有关，字长越短，阶数越高，输出误差噪声信号也越大。越大。n . 对有反馈计算系统（对有反馈计算系统（IIR滤波器），通过选定合理滤波器），通过选定合理的实现结构（级联、并联）可以减小有限字长效应的影响。的实现结构（级联、并联）可以减小有限字长效应的影响。特别是采用定点制运算系统时，这样的处理更为重要。特别是采用定
85、点制运算系统时，这样的处理更为重要。n对于无反馈计算系统（对于无反馈计算系统（FIR滤波器、滤波器、FFT计算），根据计算），根据所要求的输出精度（或信噪比）和所处理的数据阶数所要求的输出精度（或信噪比）和所处理的数据阶数N，确，确定系统的计算字长定系统的计算字长L以满足计算精度要求。（特别是在定长以满足计算精度要求。（特别是在定长制系统中）。制系统中）。疏熏篮癣机秸乾覆笔弟肛吨柬熄吟威拐京慎岭涝角甫趁疵量司抚枪匈苗堵数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应69n . 分母乘积项表示极点到其他极点的距离。分母乘积项表示极点到其他极点的距离。所以极点分布越密集，极点灵敏度越高。直
86、接实所以极点分布越密集，极点灵敏度越高。直接实现型阶数越高，越接近单位园，也会使灵敏度越现型阶数越高，越接近单位园，也会使灵敏度越高。高。n . 对对A/D变换量化误差主要根据系统精度要变换量化误差主要根据系统精度要求，选用适当变换位数的器件（器件变换速度由求，选用适当变换位数的器件（器件变换速度由采样定理决定）。采样定理决定）。n 9. 9. 浮点运算浮点运算FFT的输出信噪比随着级数增加的输出信噪比随着级数增加而下降，但要比定点运算而下降，但要比定点运算FFT的输出信噪比的下降的输出信噪比的下降缓慢得多。缓慢得多。孤迹苇努桌灌圭靖颓窒闷槛炯媚达歼傀否挺三薪祭秤扬栽缨线绎逼释砂鞍数字信号处理中的有限字长效应数字信号处理中的有限字长效应70
