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文档简介
第三章数字滤波器的基本结构第1页,共37页,2023年,2月20日,星期三数字滤波器结构的表示方法一.数字滤波器的概念 1.滤波器:指对输入信号起滤波作用的装置。
,对其进行傅氏变换得:
2、当输入、输出是离散信号,滤波器的冲激响应是单位抽样响应h(n)时,这样的滤波器称作数字滤波器。第2页,共37页,2023年,2月20日,星期三πωcω00ωcπω0ωcπωH(ejω)为矩形窗时的情形第3页,共37页,2023年,2月20日,星期三二、数字滤波器的系统函数与差分方程H(z)X(z)Y(z)1、系统函数第4页,共37页,2023年,2月20日,星期三2、差分方程对上式进行Z反变换,即得3、滤波器的功能与实现滤波就是对输入序列(n)进行一定的运算操作。从而得到输出序列实现滤波从运算上看,只需三种运算:
加法、单位延迟、乘常数。因此实现的方法有两种:(1)利用通用计算机编程,即软件实现;(2)数字信号处理器(DSP)即专用硬件实现。第5页,共37页,2023年,2月20日,星期三三、数字滤波器的结构表示法1、方框图法方框图法简明且直观,其三种基本运算如下图所示:
单位延时:(n)乘常数:
(n)a
z-1a第6页,共37页,2023年,2月20日,星期三相加:例如:第7页,共37页,2023年,2月20日,星期三
x(n)b0b0x(n)y(n)第8页,共37页,2023年,2月20日,星期三2、信号流图法三种基本的运算:单位延时:乘常数:相加:这种表示法更加简单方便。第9页,共37页,2023年,2月20日,星期三几个基本概念:a)输入节点或源节点,所处的节点;b)输出节点或阱节点,所处的节点;c)分支节点,一个输入,一个或一个以上输出的节点;将值分配到每一支路;d)相加器(节点)或和点,有两个或两个以上输入的节点。*支路不标传输系数时,就认为其传输系数为1;任何一节点值等于所有输入支路的信号之和。第10页,共37页,2023年,2月20日,星期三1例如,和点:1,5;分点:2,3,4;源点:6;阱点:7235467a1y(n-1)y(n)第11页,共37页,2023年,2月20日,星期三
无限长单位冲激响(IIR)滤波器的基本结构一、IIR滤波器的特点1、单位冲激响应h(n)是无限长的。2、系统函数H(z)在有限Z平面()上有极点存在。3、结构上是递归型的,即存在着输出到输入的反馈。第12页,共37页,2023年,2月20日,星期三二、基本结构1、直接I型(1)系统函数(2)差分方程(N阶)
第13页,共37页,2023年,2月20日,星期三(3)结构流图按差分方程可以写出。第14页,共37页,2023年,2月20日,星期三(4)特点第一个网络实现零点,即实现x(n)加权延时:第二个网络实现极点,即实现y(n)加权延时:可见,第二网络是输出延时,即反馈网络。*共需(M+N)个存储延时单元。第15页,共37页,2023年,2月20日,星期三2直接II型(正准型)第16页,共37页,2023年,2月20日,星期三第17页,共37页,2023年,2月20日,星期三3、级联型先将系统函数按零、极点进行因式分解其中,pk为实零点,ck为实极点;qk,qk*表示复共轭零点,dk,dk*表示复共轭极点,M=M1+2M2,N=N1+2N2第18页,共37页,2023年,2月20日,星期三再将共轭因子展开,构成实系数二阶因子,则得第19页,共37页,2023年,2月20日,星期三为了方便,分子取正号,分母取负号;这样,流图上最后,将两个一阶因子组合成二阶因子(或将的系数均为正。一阶因子看成是二阶因子的退化形式),则有第20页,共37页,2023年,2月20日,星期三当(M=N=2)时AB第21页,共37页,2023年,2月20日,星期三当(M=N=4)时当(M=N=6)时第22页,共37页,2023年,2月20日,星期三特点:仅影响第k对零点,同样仅影响第k对极点,便于调节滤波器的频率特性。所用的存储器的个数最少。AZ-1Z-1第23页,共37页,2023年,2月20日,星期三。;注意:*如果有奇数个实零点,则有一个;同样,如果有奇数个实极点,则有一个*通常M=N时,共有[(N+1)/2]节,符号[(N+1)/2]表示取(N+1)/2的整数。4.并联型将H(Z)展成部分分式形式:其中,均为实数,与复共轭当M〈N时,不包含项;M=N时,该项为G。第24页,共37页,2023年,2月20日,星期三当M=N时,将两个一阶实极点合为一项,将共轭极点化成实系数二阶多项式,H(Z)可表为当N为奇数时,包含一个一阶节,即第25页,共37页,2023年,2月20日,星期三例:M=N=3时,为奇数,故所以:第26页,共37页,2023年,2月20日,星期三其结构图如下:X(Z)Y(z)第27页,共37页,2023年,2月20日,星期三三、转置定理如果将原网络中所有支路方向加以倒转,且将输入和输出交换其系统函数仍不改变。(原网络)第28页,共37页,2023年,2月20日,星期三(转置后的网络)第29页,共37页,2023年,2月20日,星期三h(n)为一个N点序列,Z=0处为(N-1)阶极点,FIR滤波器的基本结构一、特点:1、h(n)在有限个n值处不为零。2、H(z)在处收敛,极点全部在Z=0处。3、非递归结构。,有(N-1)阶零点。第30页,共37页,2023年,2月20日,星期三二、基本结构1、横截型(卷积型、直接型)它就是线性移不变系统的卷积和公式h(0)h(1)h(2)h(N-2)h(N-1)第31页,共37页,2023年,2月20日,星期三用转置定理可得另一种结构2、级联型将H(Z)分解为实系数二阶因子的乘积形式h(N-1)h(N-2)h(N-3)h(2)h(1)h(0)第32页,共37页,2023年,2月20日,星期三注:[N/2]表示取N/2的整数部分,如*N为偶数时,N-1为奇数,这时因为有奇数个根,所以中有一个为零。当N为奇数时的结构如下:第33页,共37页,2023年,2月20日,星期三特点:每节结构可控制一对零点。所需系数多,乘法次数也多。一般情况:第34页,共37页,2023年,2月20日,星期三3、频率抽样型从略4、快速卷积结构如果,的长为N1,h(n)的长为N2。将补L-N1个零值点,h(n)补L-N2零值点,只要L
N1+N2-1,就有
由卷积定理得Y(k)=X(k)H(k)所以有第35页,共37页,20
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