精密仪器设计-数字滤波.ppt

光学工程与精密仪器 数字滤波器 自动化工程学院 2020 3 24 1 滤波器 2020 3 24 2 滤波器 优点 实时处理缺点 器件多 体积大 重量重 电路复杂 如改变参数 需重新设计 2020 3 24 3 滤波器 2020 3 24 4 滤波器 y sin 10 pi t 0 05 sin 100 pi t 0 05 sin 200 pi t 时域信号 频域信号 2020 3 24 5 通过傅里叶变换 将噪音所处的高频分量剔除 滤波器 需要先存储全部信号 再处理 不具备实时性 只能用于信号分析 2020 3 24 6 滤波器 低通滤波器的输出是输入的加权平均了 时域上 噪音 是信号上下的波动 2020 3 24 7 滤波器 Y n 0 1x n 0 8x n 1 0 1x n 2 2020 3 24 8 设计方法 1 先设计一个合适的模拟滤波器 然后变换成满足预定指标的数字滤波器 滤波器 2020 3 24 9 2 最优化设计方法a 确定一种最优准则 b 在此最佳准则下 通过不断地迭代运算 求滤波的系数 滤波器 2020 3 24 10 四种基本模拟滤波器为低通 LP 高通 HP 带通 BP 和带阻滤波器 BRF 滤波器 2020 3 24 11 低通高通带通带阻 滤波器 2020 3 24 12 1 1根据模拟滤波器设计IIR滤波器 利用模拟滤波器设计数字滤波器 就是从已知的模拟滤波器传递函数Ha s 设计数字滤波器系统函数H z 这归根到底是一个由S平面到Z平面的变换 滤波器 2020 3 24 13 模拟到数字的映射变换应遵循两个基本原则 1 H z 的频响要能模仿Ha s 的频响 即S平面的虚轴应映射到Z平面的单位圆上 2 Ha s 的因果稳定性映射成H z 后保持不变 即S平面的左半平面Re S 0应映射到Z平面的单位圆以内 Z 1 滤波器 2020 3 24 14 滤波器 模拟系统 数字系统 2020 3 24 15 一 脉冲响应不变法 冲激响应不变法 脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应出发 使数字滤波器的单位脉冲响应序列h n 正好等于模拟滤波器的冲激响应ha t 的采样值 即h n ha nT T为采样周期 如以Ha s 及H z 分别表示ha t 的拉氏变换及h n 的Z变换 即Ha s L ha t H z Z h n 滤波器 2020 3 24 16 滤波器 无限长 卷积如何实现 2020 3 24 17 计算H Z 脉冲响应不变法特别适用于用部分分式表达系统函数 模拟滤波器的系统函数若只有单阶极点 且分母的阶数高于分子阶数N M 则可表达为部分分式形式 滤波器 2020 3 24 18 其拉氏反变换为 单位阶跃对ha t 采样得到数字滤波器的单位脉冲响应序列 滤波器 2020 3 24 19 再对h n 取Z变换 得到数字滤波器的传递函数 第二个求和为等比级数之和 要收敛的话 必有所以有 滤波器 2020 3 24 20 采用脉冲响应不变法将模拟滤波器变换为数字滤波器时 它所完成的S平面到Z平面的变换 正是拉氏变换到Z变换的标准变换关系 即首先对Ha s 作周期延拓 然后再经过的映射关系映射到Z平面上 滤波器 2020 3 24 21 S平面 Z平面 滤波器 2020 3 24 22 S平面上每一条宽为的横带部分 都将重叠地映射到Z平面的整个平面上 每一横带的左半部分映射到Z平面单位圆以内 每一横带的右半部分映射到Z平面单位圆以外 轴映射到单位圆上 轴上每一段都对应于绕单位圆一周 滤波器 2020 3 24 23 稳定性 如果模拟滤波器是稳定的 则所有极点Si都在S左半平面 即Re si 0 那么变换后H Z 的极点也都在单位圆以内 即 因此数字滤波器保持稳定 滤波器 2020 3 24 24 Z esT的映射关系反映的是Ha s 的周期延拓与H Z 的关系 而不是Ha s 本身与H Z 的关系 因此 使用脉冲响应不变法时 从Ha s 到H z 并没有一个由S平面到Z平面的一一对应的简单代数映射关系 即没有一个S f z 代数关系式 滤波器 2020 3 24 25 脉冲响应不变法中的频响混淆 滤波器 2020 3 24 26 例 将一个具有如下系统函数的模拟滤波器数字化 解 滤波器 2020 3 24 27 小结 1 脉冲响应不变法的一个重要特点是频率坐标的变换是线性的 与 是线性关系 因此如果模拟滤波器的频响带限于折叠频率以内的话 通过变换后数字滤波器的频响可不失真地反映原响应与频率的关系 例如线性相位的贝塞尔低通滤波器 通过脉冲响应不变法得到的仍是线性相位的低通数字滤波器 2 在某些场合 要求数字滤波器在时域上能模仿模拟滤波器的功能时 如要实现时域冲激响应的模仿 一般使用脉冲响应不变法 滤波器 2020 3 24 28 3 如果Ha s 是稳定的 即其极点在S左半平面 映射后得到的H Z 也是稳定的 4 脉冲响应不变法的最大缺点 有频谱周期延拓效应 因此只能用于带限的频响特性 如衰减特性很好的低通或带通 而高频衰减越大 频响的混淆效应越小 至于高通和带阻滤波器 由于它们在高频部分不衰减 因此将完全混淆在低频响应中 此时可增加一保护滤波器 滤掉高于 的频带 再用脉冲响应不变法转换为数字滤波器 这会增加设计的复杂性和滤波器阶数 只有在一定要满足频率线性关系或保持网络瞬态响应时才采用 滤波器 2020 3 24 29 滤波器 2020 3 24 30 脉冲响应不变法的主要缺点是频谱交叠产生的混淆 这是从S平面到Z平面的标准变换z esT的多值对应关系导致的 为了克服这一缺点 设想变换分为两步