滤波器总结

滤波器的表征

1. 滤波器结构

我们研究不同结构在下列指标上的表现:

1.1 IIR 滤波器结构

全极点型/零极点型。

1.2 FIR 滤波器结构

1.3 数字滤波器频率响应

当输入复指数序列 x(n)=ejωn,则有:

y(n)=∑m=−∞+∞h(m)x(n−m)=∑m=−∞+∞h(m)ejω(n−m)=ejωn∑n=−∞+∞h(m)e−jωn=ejωnH(ejω)=x(n)H(ejω)

因此称复指数序列 ejωn 是系统的特征序列。

H(ejω)=|H(ejω)|ejβ(ejω)

几何确定法

群延迟响应

τ(ejω)=−ddωβ(ejω)

1.4 全通滤波器

全通滤波器的定义:系统频率响应的幅度在所有的频率 ω 处皆为 1(或为常数)的稳定系统。

|Hap(ejω)|=C

1 阶全通滤波器(要求 a 为实数,且极点 z=a 在单位圆内)

Hap(z)=Kz−1−a1−az−1

2 阶全通滤波器(要求极点 a,a∗ 在单位圆内,即 a=rejθ,0<r<1)

Hap(z)=Kz−1−a∗1−az−1⋅z−1−a1−a∗z−1=Kz−2−2rcos⁡θz−1+r21−2rcos⁡θz−1+z−2r2

N 阶全通滤波器:

Hap(z)=dN+dN−1z−1+⋯+d1z−N+1+z−N1+d1z−1+⋯+dN−1z−N+1+dNz−N

零极点分布特点:

系数特点:

相频特性:

dβap(ω)dω<0

因为 βap(0)=0,结合上述结论可得 βap(ω)<0,0≤ω≤π.

同时可得全通系统的群延迟 τap(ω)=−dβap(ω)dω 为正。

1.5 最小相位系统

看零点来辨别。如果系统有极点在单位圆外,则不是三种系统。

为了保证稳定,最小相位系统、最大相位系统、混合相位系统的极点都在单位圆内。

最小相位系统 Hmin(z) 系统函数全部零点在单位圆内的因果稳定滤波器;最小相位系统的逆系统也是最小相位系统,因为只是调换了零点极点。

最大相位系统 Hmax(z) 系统函数全部零点在单位圆外的因果稳定滤波器;

混合相位系统 Hmix(z) 系统函数在单位圆内外均有零点的因果稳定滤波器;

三种系统的关系:通过串联全通系统转换。

image-20241215165655498

这一系列的最小相位系统、混合相位系统、最大相位系统的幅值响应相同,而相角响应依次滞后。

利用最小相位系统的逆系统补偿失真

对于系统 H(z),希望其幅度响应为 1,设计 Hc(z) 进行补偿。

例如将系统

H(z)=6(4z−1−1)(z−1−5)(z−1−2)(z−1−3)

分解为 Hmin(z)Hap(z).

其极点分别为 12,13 位于单位圆内,其零点分别为 15,4,设计全通滤波器抵消零点 z=4,即

Hap(z)=4z−1−1z−1−4
Hmin=6(z−1−4)(z−1−5)(z−1−2)(z−1−3)

1.6 梳状滤波器

梳状滤波器结构 (FIR)

H(z)=1−z−N

image-20241215170850876

保留需要的频率为 (2k+1)πN 信号,滤除其它频率信号。

对梳状滤波器的改进:梳状陷波器 (IIR)

H(z)=1−z−N1−(r−1z)Nr≈1

image-20241215171719623

考虑当输入信号频率为 2πN,此时和一个零点重合,输出为零。

当输入信号频率为 2πN+β,其中 β 很小,则可以看成一个双 90∘ 的等腰三角形,得到 AZ1P1 是一个等腰直角三角形,输出幅度:

A(2πN+β)=AZ1⋅AZ2AP1⋅AP2

其中 AZ2≈AP2,AZ1=β,AP1=2β,因此输出 1/2. 比修正之前性能好,可以精确地滤除频率为 2kπ/N 的信号.

img

2. IIR 滤波器设计

2.1 理想滤波器频谱图

image-20241215172413183

2.2 滤波器指标

image-20241215172531100

2.3 模拟巴特沃斯低通滤波器

|Ha(jΩ)|=11+(ΩΩc)2N

选取截止频率为 Ωc=0.5π,绘图如下:

untitled

归一化的巴特沃斯滤波器

|Han(jΩ)|=11+Ω2N

一般可以通过查表法来获取归一化巴特沃斯滤波器的系统函数,然后 去归一化:

Ha(s)=Han(sΩc)

N,Ωc 参数设计

首先,根据图像定性分析:

image-20241215190117015

定义:

根据图中关系,可以算出:

重写表达式为:

−20lg⁡|Ha(jΩp)|=10lg⁡(1+(ΩpΩc)2N)≤Rp⏟⇒(Ωp/Ωc)2N≤100.1Rp−1−20lg⁡|Ha(jΩp)|=10lg⁡(1+(ΩstΩc)2N)≥As⏟⇒(Ωst/Ωc)2N≥100.1As−1

即:

100.1As−1100.1Rp−1≤(ΩstΩp)2N

因此

N≥lg⁡(100.1As−1100.1Rp−1)/2lg⁡(Ωst/Ωp)

为了确定 Ωc,我们可以利用不等式:

(Ωst/Ωc)2N≤100.1Rp−1⇒Ωc≥Ωp/100.1Rp−12N⏟≐Ωcp

一般取 Ωc=Ωcp.

到这一步我们就可以 设计模拟低通滤波器,其步骤为:

  1. 确定指标 Ωs,Ωp,As,Rp;

  2. 根据指标确定巴特沃斯滤波器参数 N,Ωc;

  3. 根据滤波器阶数确定归一化巴特沃斯滤波器的系统函数;

  4. 去归一化.

2.4 频带转换

频带变换 可以将 归一化模拟低通滤波器(Ωp―=1)转换为 模拟低通、高通、带通、带阻滤波器。

频带变换的实现:设计变换函数 G,满足:

Han(s―)⟷s―=G(s)Ha(s)Han(jΩ―)⟷jΩ―=G(jΩ)Ha(jΩ)

频带变换函数 要求:

令带宽和中心频率表示为

类型s 变换Ω 变换
截止频率 Ωp 低通s―=sΩpΩ―=ΩΩp
截止频率 Ωp 低通s―=ΩpsΩ―=−ΩpΩ
Ωp1∼Ωp1 带通s―=s2+Ωp02BpsΩ―=Ω2−Ωp02BpΩ
Ωst1∼Ωst2 带阻s―=Ω―stBsss2+Ωst02Ω―=Ω―stBsΩΩst02−Ω2

带通滤波器 Ω―st 的确定

因为带通滤波器的 Ωp1,Ωp2 均可以映射到 Ω―p=1,所以只需确定 Ω―st 即可。

计算对应的 Ω―st1,2 如下:

Ω―st1=G(Ωst1),Ω―st2=G(Ωst2)

然后 Ω―st 取 min{|Ω―st1|,|Ω―st2|}.

注意点:

带阻滤波器 Ω―st 的确定

频带映射函数中存在未知数 Ω―st,可以通过带阻滤波器 Ωp1,Ωp2 映射到 Ω―p=1 来确定 Ω―st.

Ω―p1=G(Ωp1),Ω―p2=G(Ωp2)
Ω―p=max{|Ω―p1|,|Ω―p2|}=1=1Ω―stΩ―st

到这里我们可以 设计模拟高通/带通/带阻滤波器,步骤如下:

  1. 确定模拟指标;

  2. 确定归一化低通滤波器所需满足的指标 Ω―p,Ω―st.

    高通:直接利用公式 Ω―=−ΩpΩ;带通:参上;带阻:参上.

  3. 根据指标 Ω―p,Ω―st 确定原型巴特沃斯滤波器参数 N,Ω―c;

  4. 通过查表法确定 Han(s―);

  5. 去归一化 Ha(s―)=Han(s―/Ωc―);

  6. 通过变换函数进行频带变换.

2.5 模数映射

模数映射:从 s 域映射到 z 域,牵扯到抽样时间 T.

映射要求:

2.5.1 冲激不变法

image-20241215201441818

Ha(s)=∑k=1NAkTs−sk⇒H(z)=∑k=1NAkT1−eskTz−1

由极点关系可以推出 s,z 关系:z=esT;

由采样的关系可以推出频率关系:ω=ΩT(模拟频率和数字频率是线性的关系)

2.5.2 双线性变换法

image-20241217231545986

使用 Ω=tan⁡(Ω1T2) 将整个 σ+jΩ 平面映射到 σ+jΩ1 平面,其中 Ω1 取值 −π/T,π/T.

s=1−z−11+z−1z=1+s1−s

在低频段,有如下关系:

Ω=ctan⁡(ω2)≈cω2=ω/T

引入线性变换常数 c=2/T,则有如下关系:

s=2T1−z−11+z−1z=T/2+sT/2−sΩ=2Ttan⁡(ω2)

因为幅频响应存在畸变,数字频率和模拟频率不是线性的关系,所以需要将数字指标 ω 变换为模拟指标 Ω,才能设计滤波器。

image-20241217232335367

到这里我们可以 设计数字高通/带通/带阻滤波器,步骤如下:

  1. 通过 ω=ΩT 确定对应的数字指标;

  2. 再通过频率预畸 Ω′=2Ttan⁡ω2 变换成 低通模拟指标;

  3. 确定归一化低通滤波器所需满足的指标 Ω―p,Ω―st.

  4. 根据指标 Ω―p,Ω―st 确定原型巴特沃斯滤波器参数 N,Ω―c;

  5. 通过查表法确定 Han(s―);

  6. 去归一化 Ha(s―)=Han(s―/Ωc―);

  7. 通过变换函数进行频带变换.

  8. 双线性变换法 H(z)=H(s)|s=2T1−z−11+z−1.

2.6 模数直接变换

之前需要两步:双线性变换法+频带变换,现在可以合并成一步,直接使用模数直接变换。

模拟低通到数字低通

模拟低通到数字高通

相当于 z←−z.

模拟低通到数字带通

中心频率设为 ω0,希望原来 Ω=0 点映射到 ω0 点,并且符合 ωp1,ωp2 的条件。

模拟低通到数字带阻

到这里我们可以 更加快速地设计数字高通/带通/带阻滤波器,步骤如下:

  1. 确定模拟指标;通过 ω=ΩT 确定对应的数字指标.

  2. 确定中心频率 ω,进行频率预畸,直接将所需的数字指标变换到模拟指标,并且计算出 Ωp,Ωst.

  3. 根据指标 Ωp,Ωst 确定原型巴特沃斯滤波器参数 N,Ωc;

  4. 通过查表法确定 Han(s);

  5. 去归一化 Ha(s)=Han(s/Ωc);

  6. 进行模数直接变换。

3. FIR 滤波器设计

3.1 线性相位 FIR 滤波器

当单位抽样响应 h(n),0≤n≤N−1 为 实数 且满足

则系统频率响应是严格线性的,也就是 arg⁡H(ejω)=αω.

偶对称线性相位证明

代入 h(n)=h(N−1−n),0≤n≤N−1 的条件,

H(z)=∑n=0N−1h(n)z−n=∑n=0N−1h(N−1−n)z−n=z−(N−1)∑n=0N−1h(N−1−n)zN−1−n=z−(N−1)H(z−1)

代入 H(z)=z−(N−1)H(z−1),可得

H(z)=12(H(z)+z−(N−1)H(z−1))=12∑n=0N−1h(n)(z−n+z−(N−1)zn)=12z−N−12∑n=0N−1h(n)(zN−12−n+z−(N−12−n))

代入 z=ejω.

H(ejω)=e−N−12ω⏟θ(ω)j∑n=0N−1h(n)cos⁡((N−12−n)ω)⏟H(ω)

因此相位函数 θ(ω) 是 ω 的线性函数,τ(ω)=−dθdω=N−12.

奇对称线性相位证明

代入 h(n)=−h(N−1−n),0≤n≤N−1 的条件,可得

H(ejω)=je−jN−12ω∑n=0N−1h(n)sin⁡((N−12−n)ω)⏟H(ω)
θ(ω)=π2−N−12ω

相位函数 θ(ω) 是 ω 的线性函数,τ(ω)=−dθdω=N−12.

另一种简单的证明方式

H(z)=z−N−12∑n=0(N−1)/2h(n)(zN−12−n±z−(N−12−n))

零点的分布 对于线性相位 FIR 滤波器,

因为 FIR 滤波器系统函数的系数为实数,所以 z 零点推出 z∗ 也是零点,也就是。

H(z)=∑n=0N−1h(n)z−n=0H(z∗)=∑n=0N−1h(n)(z∗)−n=(H(z))∗=0

因为线性相位的性质,

H(z−1)=∑n=0N−1h(n)zn=±∑n=0N−1h(N−1−n)zn=±z(N−1)∑n=0N−1h(N−1−n)z−(N−1−n)=±zN−1H(z)=0

因此 z 零点推出 z−1 也是零点。

可否设计低通、高通、带通、带阻 只需考虑 z=1,z=−1=ejπ 是否一定是滤波器零点。我们考虑配对:

(zn±zN−1−n)h(n)=zn(1±zN−1−2n)h(n)

总结:只需分析 z=±1 是否一定是方程 1±zN−1−2n=0 的零点,不需死记。

3.2 窗函数法 FIR 滤波器设计

  1. 给定要求的理想频率响应 Hd(ejω) (desired),一般是低通、高通、带通、带阻。

  2. 我们利用 IDTFT 求得理想滤波器的系数 hd(n)

    hd(n)=12π∫−ππHd(ejω)ejωndω

    一般取 N 为奇数,令 τ=(N−1)/2,对于低通滤波器,

    hdlp(n)={sin⁡(ωc(n−τ))π(n−τ),n≠τωc/π,n=τ

    当 ωc=π 时,低通滤波器变为全通滤波器:

    hdap(n)={1,n=τ0,n≠τ

    因此,高通滤波器直接利用线性性做减法可得:

    hdhp(n)={−sin⁡(ωc(n−τ))π(n−τ),n≠τ1−ωc/π,n=τ

    带通滤波器利用两个低通做减法:

    hdbp(n)={sin⁡[ω2(n−τ)]−sin⁡[ω1(n−τ)]π(n−τ),n≠τ(ω2−ω1)/π,n=τ

    带阻利用全通减带通:

    hdbs(n)={−sin⁡[ω2(n−τ)]−sin⁡[ω1(n−τ)]π(n−τ),n≠τ1−(ω2−ω1)/π,n=τ
  3. 因为 hd 是无限时长的,所以需要用有限时长的窗函数 w(n) 截断,也就是:

    h(n)=hd(n)⋅w(n)

    并且 h(n) 在 0≤n≤N−1 之外的范围都为零。

  4. 求出加窗后的实际频率响应 H(ejω).

    H(ejω)=12π[Hd(ejω)∗W(ejω)]H(f)=Hd(f)∗W(f)

    因为是卷积关系,所以产生的肩峰过渡带宽度 Δω 取决于 W(ejω) 宽度。肩峰过渡带的中心为对应理想滤波器的边界。

综上,设计 FIR 滤波器 步骤为:

  1. 给定设计指标 ωp,ωst,Rp,As.

    计算中心频率:

    ωc=(ωp+ωst)/2ω1=(ωp1+ωst1)/2ω2=(ωp2+ωst2)/2
  2. 选择窗类型和长度点数 N.

    1. 窗类型由阻带最小衰减 As 决定;

    2. 窗长度点数由过渡带宽 Δω 决定。

      • 对于低通高通,Δω=|ωst−ωp|.

      • 对于带通带阻,Δω=min{|ωst1−ωp1|,|ωst2−ωp2|}.

    决定窗函数 w(n).

  3. 求取 h(n)=hd(n)⋅w(n).

  4. 检验 H(ejω) 是否满足性能要求

3.3 频率抽样 FIR 滤波器设计

频率抽样设计思路:

如图,理想频率响应 Hd(ejω) 和实际频率响应 H(ejω) 之间存在 逼近误差,因为实际频率响应还要经过 Φ(ω) 函数的插值。但是在抽样点上频率响应是相等的关系。

设过渡带长度为 Δω,滤波器抽样点数 N 需要满足

Δω≥2πN(m+1)⇒N≥(m+1)2πΔω

4. 滤波器比较

5. 滤波器题目

关于 IIR 滤波器设计正确的说法是:

双线性变换法在低频区域是有对应关系的,但是高频区域有频率的非线性。


关于 IIR 滤波器设计正确的说法是

双线性变换法的另一种推导:

z=esT=esT/2e−sT/2≈1+sT/21−sT/2=2+Ts2−Ts
s=2T1−z−11+z−1

关于双线性变换法设计 IIR 滤波器错误的说法是


其中的离散时间系统是一个采用双线性变换法设计得到的截止频率为 0.3π 弧度的低通滤波器,则整个等效的连续时间系统的截止频率是(0.3π/T)

解:离散时间系统与等效连续时间系统的频响关系始终线性,与离散时间系统是IIR 还是FIR,以及什么方法设计的没有关系。


关于窗函数法设计 FIR 滤波器,错误的说法是


关于离散时间滤波器的设计,正确的说法是


IIR 滤波器的直接II 型实现结构与直接 I 型实现结构比较优势是