数字信号处理 教学课件 ppt 作者 沈希忠 Chapter 09 Introduction To Digital Filter

数字信号处理,沈希忠 Dr. Prof. Shen Xizhong QQ: 1627996121 xzshenyeah.net Saturday, May 25, 2019,第9章 数字滤波器概述,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,2,9.1 引言 9.2 实际滤波器 9.3 最小与最大相位延迟系统、最小与最大相位超前系统 9.4 全通系统 9.5 数字滤波器的基本结构 9.6 FIR和IIR,9.1 引言,8.1.1 滤波是什么？ 8.1.2 滤波器的设计 8.1.3 滤波器的分类,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,3,滤波的重要性,9.1.1 滤波是什么,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,4,滤波是什么？ 狭义地说，滤波是把信号中的某些频率分量分离出来或者去除，具备这种功能的装置称为滤波器。 广义的说,任何能对某些频率（相对于其它频率）分量进行修正的系统统称为滤波器。滤波器是一类特别重要的系统，本章仅仅考虑线性时不变系统的情况。,9.1.2 滤波器的设计,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,5,滤波器的设计分为三个步骤： 1、给出系统所要求特性的技术指标； 2、用因果系统逼近这些技术指标； 3、实现该系统。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,6,一般要解决两个问题： 滤波器的近似问题 根据给定的技术条件(频率特性、过渡带等)构造一个传递函数，以便得到足够的近似。 滤波器的实现问题 根据已确定的传递函数来具体设计滤波器，即确定电路的结构形式与数值以及计算程序。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,7,数字滤波器可以用两种方法来实现： 一种方法是利用数字硬件(如加法器、乘法器和寄存器、移位寄存器) 另一种方法是计算机软件,数字滤波的特点 :,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,8,1.精度高 数字滤波的精度由运算中的舍入误差所决定，可按需要做得很小。而模拟线路中所产生的背景本底噪声就不容易控制；,2.通用灵活 数字滤波能实现特性复杂的滤波，只要重输入一段程序或一组不同的滤波系数，就能做设计上的变动；,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,9,3.适用性强 它的时分能力使滤波器适合于多通道信号处理，改变参数能较容易地完成信号的跟踪滤波；,4.稳定性高 数字滤波的程序在运行中不易受电源电压和环境条件变化的影响。对于地震、生物医学、机械等低频信号来讲，这是一个重要的优点， 因为模拟分量的漂移会表现为低频虚假信号。,9.1.3 滤波器的分类,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,10,根据处理信号的种类不同，滤波器可以分为 模拟滤波器：处理连续时间系统 采样滤波器：处理离散时间系统 数字滤波器：处理数字系统 根据滤波器元件的性质，可将其划分为 无源滤波器：仅由无源元件，如电阻、电容和电感等组成； 有源滤波器：含有有源器件，如运算放大电路等。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,11,数字滤波器工作的频率范围也与模拟滤波器一样分为两段： 通带 通带是指让信号中某些频率分量在允许的衰减值之内通过的频率范围。 阻带 阻带是指某些频率分量衰减或抑制掉的频率范围。,滤波器响应特性,(a) 低通滤波器 (b) 高通滤波器 (c) 带通滤波器 (d) 带阻滤波器 (e) 全通滤波器,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,12,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,13,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,14,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,15,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,16,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,17,9.2 实际滤波器,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,18,理想滤波器具有矩形幅频特性； 实际滤波器在幅频特性的通带和阻带之间没有间断明显的界限，是连续过渡的。一般称这一连续过渡的区域为过渡带。,9.2 实际滤波器,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,19,截止频率 容限和容限图 通带和阻带 信号带宽 滤波器的频率响应 平方幅值传递函数 滤波器的衰减特性,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,20,9.2.1 截止频率,9.2.2 容限和容限图,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,21,在规定滤波器技术指标时，应考虑滤波器实现的可能性，与理想滤波器相比所规定的技术指标应容许有一定的偏差，允许偏差的极限称为容限，相应的滤波器性能指标可以用容限图表示。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,22,低通滤波器的容限图,根据所给定的容限图，可以设计求出符合要求的系统函数。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,23,例如：低通滤波器的容限图,9.2.3 通带和阻带,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,24,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,25,实际低通、高通、带通和带阻滤波器的幅频特性,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,26,9.2.4 信号带宽,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,27,信号占用的频率范围称为信号带宽。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,28,9.2.5 滤波器的频率响应,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,29,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,30,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,31,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,32,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,33,9.2.6 平方幅值传递函数,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,34,9.2.7 滤波器的衰减特性,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,35,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,36,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,37,9.3 最小与最大相位延迟系统 最小与最大相位超前系统 (略),Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,38,9.4 全通系统,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,39,9.5 数字滤波器的基本结构,表示数字滤波器的运算结构方法： 方框结构图 信号流图 信号流图本质上与方框图表示法等效，只是符号上略有差异，是一种简化形式，在表示各种滤波器结构时，采用信号流图比方框图方便。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,40,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,41,信号流图中的节点和支路表示,信号流图是由连接节点的有向支路构成的一种网络。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,42,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,43,源节点与阱节点表示法,源节点没有引入支路； 阱节点只有引入支路。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,44,一阶数字滤波器的方框图和信号流图,有一个源节点与节点1连接，有一个阱节点与节点3连接,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,45,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,46,，,，,流图方程,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,47,各支路输出,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,48,一阶差分方程,9.3 FIR和IIR,9.3.1 滤波器的表示 9.3.2 滤波器的实现,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,49,9.3.1 滤波器的表示,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,50,滤波器是一种线性非时变系统，其动态特性可以用单位冲激响应来描述。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,51,差分方程表明系统的现时输出是现时输入及若干先前输入和输出的线性组合，它表明了差分方程所具有的递归特性，这样的离散系统叫做递归系统。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,52,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,53,递归数字滤波器：滤波器具有递归性质。,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,54,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,55,有限冲激响应数字滤波器(FIR DF：Finite Impulse Response DF),Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,56,9.3.2 滤波器的实现,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,57,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,58,例如IIR DF：,滤波器的信号流图,滤波器可看作是两个级联网络,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,59,滤波器规范形式的信号流图,p=k,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,60,FIR滤波器的信号流图,这种结构没有反馈回路，可看作是IIR滤波器的一个特例,Saturday, May 25, 2019,Author: Xizhong Shen,61,