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1、第四章第四章 数字滤波器的结构数字滤波器的结构 第四章学习目标第四章学习目标理解数字滤波器结构的表示方法掌握IIR DF的基本结构掌握FIR DF的直接型、级联型、线性相位结构，理解频率抽样型结构4.1 数字滤波器结构的表示方法 数字滤波器的系统函数：常系数线性差分方程:加法器常数乘法器单位延时基本运算单元方框图流图例：二阶系统的差分方程如下所示，试画出系统的方框图和信号流图二阶系统方框图二阶系统的信号流图流图结构节点源节点支路阱节点(输出节点 )网络节点分支节点输入支路相加器节点的值=所有输入支路的值之和输出支路支路的值=支路起点处的节点值 传输系数4.2 IIR数字滤波器的基本结构1）系统
2、的单位抽样相应h(n)无限长 IIR数字滤波器的特点：3）存在输出到输入的反馈，递归型结构2）系统函数H(z)在有限z平面（ ）上有极点存在IIR数字滤波器的基本结构：直接型直接型（正准型、典范型）级联型并联型1 直接型差分方程:需N+M个延时单元2 直接型（正准型、典范型）设则令改写系统函数为只需实现N阶滤波器所需的最少的N个延时单元，故称典范型。（ ） 直接型的共同缺点：系数 ， 对滤波器的性能控制作用不明显极点对系数的变化过于灵敏，易出现不稳定或较大误差运算的累积误差较大3 级联型将系统函数按零极点因式分解: 将共轭成对的复数组合成二阶多项式，系数即为实数。 为采用相同结构的子网络，将两
3、个实零/极点组合成二阶 多项式当零点为奇数时： 有一个当极点为奇数时： 有一个图4-6 级联结构假设分解为L个二阶子系统，则系统的级联结构如图所示：当M=N时，二阶因子配对方式有 种各二阶基本节的排列次序有 种级联型的特点：调整系数 ， 能单独调整滤波器的第k对零点，而不影响其它零极点 运算的累积误差较小具有最少的存储器便于调整滤波器频率响应性能调整系数 ， 能单独调整滤波器的第k对极点，而不影响其它零极点4 并联型将因式分解的H(z)展成部分分式：当N为奇数时，有一个组合成实系数二阶多项式：并联结构并联结构的一阶基本节二阶基本节三阶IIR滤波器的并联型结构并联型的特点：通过调整系数 ， 可单
4、独调整一对极点位置，但不能单独调整零点位置各并联基本节的误差互相不影响，故运算误差最小可同时对输入信号进行运算，故运算速度最高转置定理：原网络中所有支路方向倒转，并将输入x(n)和输出y(n)相互交换，则其系统函数H(z)不改变。图a 直接II型结构（正准型结构）图b 正准型结构的转置图b 典范型结构的转置画成习惯形式：输入在左，输出在右图c 典范型结构的习惯形式例：设IIR数字滤波器差分方程为：试用四种基本结构实现此差分方程。解：对差分方程两边取z变换，得系统函数：得直接型结构：正准型结构：将H(z)因式分解：得级联型结构：将H(z)部分分式分解：得并联型结构：4.3 FIR数字滤波器的基本
5、结构1）系统的单位抽样响应 h(n)有限长，设N点 FIR数字滤波器的特点：2）系统函数H(z)在 处收敛，有限z平面只有零点，全部极点在 z = 0 处（因果系统）3）无输出到输入的反馈，一般为非递归型结构系统函数：z=0处 是N-1阶极点有N-1个零点分布于z平面1直接型（卷积型、横截型）差分方程:图4-8 FIR数字滤波器的直接型结构图4-9 图4-8的转置结构2 级联型N为偶数时，其中有一个 （N-1个零点）将H(z)分解成实系数二阶因式的乘积形式:图4-10 FIR DF级联型结构（N为奇数）级联型的特点系数比直接型多，所需的乘法运算多每个基本节控制一对零点，便于控制滤波器的传输零点
6、3 频率抽样型N个频率抽样H(k)恢复H(z)的内插公式：子系统： 是N节延时单元的梳状滤波器在单位圆上有N个等间隔角度的零点：频率响应：图4-11 梳状滤波器结构及频率响应幅度单位圆上有一个极点：与第k个零点相抵消，使该频率 处的频率响应等于H(k)谐振器子系统： 图4-12 FIR滤波器的频率采样型结构频率抽样型结构的优缺点调整H(k)就可以有效地调整频响特性若h(n)长度相同，则网络结构完全相同，除了各支路增益H(k)，便于标准化、模块化有限字长效应可能导致零极点不能完全对消，导致系统不稳定系数多为复数，增加了复数乘法和存储量 修正频率抽样结构将零极点移至半径为r的圆上：图4-13 采样
7、点内移为使系数为实数，将共轭根合并由对称性：又h(n)为实数，则图4-14 谐振器各个根的位置 (a) N为偶数 (b) N为奇数将第k个和第(N-k)个谐振器合并成一个实系数二阶网络：当N为偶数时，还有一对实数根k=0, N / 2处：图4-15 二阶谐振器图4-16 一阶网络(实根)图4-17 FIR滤波器修正后的频率采样型结构N为奇数时只有一个实数根在 k = 0处：z = r4 快速卷积结构图4- 18 FIR滤波器的快速卷积结构5 线性相位FIR滤波器的结构FIR滤波器单位抽样响应h(n)为实数，且满足：偶对称：或奇对称：即对称中心在 (N-1) / 2处则这种FIR滤波器具有严格线性相位。N为奇数时h(n)偶对称，取“+”h(n)奇对称，取“ ”，且图4-18 N为奇数时线性相位型结构N为偶数时 图4-19 N为偶数时的线性相位型结构（h(n)偶对称时取+1， h(n)奇对称时取-1）
