第8章-其它类型的数字滤波器课件.ppt
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- 其它 类型 数字滤波器 课件
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1、第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 8.1 几种特殊的滤波器几种特殊的滤波器8.2 格型滤波器格型滤波器8.3 简单整系数数字滤波器简单整系数数字滤波器8.4 采样率转换滤波器采样率转换滤波器第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器8.1 几种特殊的滤波器几种特殊的滤波器 8.1.1 全通滤波器 如果滤波器的幅频特性对所有频率均等于常数或 1,即|H(e j)|=1,02 (8.1.1)则该滤波器称为全通滤波器。全通滤波器的频率响应函数可表示成 H(e j)=e j()(8.1.2)第第8章章 其它类型的数字滤波
2、器其它类型的数字滤波器 全通滤波器的系统函数一般形式如下式:00121201212(),11NN kkkNkkkNNNNNNa zH za zza za zaaa za za z(8.1.3)或者写成二阶滤波器级联形式:211221121()1Liiiiiza zaH za za z(8.1.4)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 下面证明(8.1.3)式表示的滤波器具有全通幅频特性。10000()()()NNN kkkkNNkkNNkkkkkka za zD zH zzzD za za z(8.1.5)式中,由于系数ak是实数,所以 0()NkkkD za z1()()()
3、()()1()jjjz ejjjD zD eD eD eH eD e第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 图 8.1.1 全通滤波器一组=零极点示意图Im(z)zkRe(z)zk*pkpk*第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 观察图 8.1.1,如果将零点zk和极点p*k组成一对,将零点z*k与极点pk组成一对,那么全通滤波器的极点与零点便以共轭倒易关系出现,即如果z-1k为全通滤波器的零点,则z*k必然是全通滤波器的极点。因此,全通滤波器系统函数也可以写成如下形式:111()1NkkkzzH zz z(8.1.6)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数
4、字滤波器 8.1.2 梳状滤波器 例如,,0a1,零点为 1,极点为a,所以H(z)表示一个高通滤波器。以zN代替H(z)的z,得到:111()1zH zaz1()1NNNzH zaz(8.1.7)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.1.2 梳状滤波器 的零极点分布和幅频响应特性(N=8)1()1NNNzH zazIm(z)Re(z)1(a)N1零点在单位圆上极点在半径为 的圆上N10N2 N4N6N8 N10(b)Hk(e j)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 8.1.3 最小相位系统 最小相位系统在工程理论中较为重要,下面给出最小相位系统的几个重
5、要特点。(1)任何一个非最小相位系统的系统函数H(z)均可由一个最小相位系统Hmin(z)和一个全通系统Hap(z)级联而成,即 H(z)=Hmin(z)Hap(z)(8.1.8)证明 假设因果稳定系统H(z)仅有一个零点在单位圆外,令该零点为z=1/z0,|z0|1,则H(z)可表示为第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器111010101011010101()()()()()1()(1)1z zH zH zzzH zzzz zzzH zz zz z(8.1.9)(2)在幅频响应特性相同的所有因果稳定系统集中,最小相位系统的相位延迟(负的相位值)最小。高阶全通系统总可以由一阶和
6、二阶全通系统函数相乘来表示。一阶和二阶全通系统的系统函数分别如(8.1.10)和(8.1.11)式:第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 对(8.1.10)式,1111111()1()11opopzaHzazzazaHzaza z(8.1.10)(8.1.11)其中a为实数,且|a|1;1()()()japjjjapapjz ezaHzzzaeaHeHzeea第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.1.3 一阶全通系统具有非正=相位的几何证明图z e ja2第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 由于上式中分数部分的分子、分母是共轭的,因此相角
7、相反,所以 argHap(e j)=-2 arg(e j-a)对 0,关于arg(e j-a)作图如图 8.1.3 所示,图中=arg(e j-a)。;由图 8.1.3可见,arg()2arg()0jjapeaHe第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 对(8.1.11)式,2(),1arg()2arg()arg()jjjjapjjjjjapeaeaHeeaeaeaHeeaea故 画出上式中的各相角如图 8.1.4 所示。图中1=arg(ej-a),2=arg(ej-a*)。由图可看出,120zaaazz z根据三角形外角大于内角的定理有1212arg()2()0japaaHea
8、a第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.1.4 二阶全通系统具有非正=相位的几何证明图 z e j1aa*12z*e jz0第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 由(8.1.8)式有minminminminminmin()()()()()()()()()()(0)()(0)apjjzzH zHz HzH eHeh nIZT H zhnIZT HzH zhHzh由初值定理可得出 由于 11()1iapiziiizzaHzaa z第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 对因果稳定系统,|ai|1,所以|h(0)|hmin(0)|(8.1.12)(
9、8.1.12)式说明,在幅频特性相同的所有因果稳定系统集中,最小相位系统对(n)的响应波形延迟最小。如果定义h(n)的积累能量E(m)为2022min00()(),0()()mnmmnnE mhnmhnhn 则最小相位系统的最小能量延迟可用(8.1.13)式,即。第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 由于|H(e j)|=|Hmin(e j)|,即22min22min00()()()()jjnnH edHedhnhn由parseval定理有 (3)最小相位系统保证其逆系统存在。给定一个因果稳定系统H(z)=B(z)/A(z),定义其逆系统为1()()()()INVA zHzH
10、zB z(8.1.14)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器8.2 格型滤波器格型滤波器 8.2.1 全零点格型滤波器 一个M阶的FIR滤波器的系统函数H(z)可写成如下形式:()01()()1MMiiiiMiiH zB zbzb z(8.2.1)其中,b(i)M表示M阶FIR滤波器的第i个系数,并假设首项系数b0=1。H(z)对应的格型结构如图 8.2.1 所示。第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.2.1 全零点格型滤波器网络结构x(n)e0r0z1k1k1r1z1r2k2k2e2z1rM1z1kM1kM1eM1kMkMy(n)e1第第8章章 其它类型
11、的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.2.2 全零点格型结构=基本单元rm1kmkmrmz1em1em第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 下面推导由H(z)=B(z)的系数bi求出格型结构网络系数ki的逆推公式。图 8.2.2 所示基本格型单元的输入、输出关系如下式:em(n)=e m-1(n)+r m-1(n-1)km (8.2.2a)rm(n)=e m-1(n)km+rm-1(n-1)(8.2.2b)且 e0(n)=r0(n)=x(n)(8.2.2c)y(n)=em(n)(8.2.2d)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 设Bm(z),Jm(z)分别表
12、示由输入端x(n)至第m个基本单元上、下输出端em(n)、rm(n)对应的系统函数,即()010()()/()1,1,2,()()/(),1,2,miimmmimmBzEzEzb zmMJzRzR z mM(8.2.3a)(8.2.3b)当m=M时,Bm(z)=B(z)。对(8.2.2)式两边进行Z变换得111111()()()()()()mmmmmmmmEzEzk z RzRzk Ezz Rz(8.2.4a)(8.2.4b)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 对(8.2.4a)和(8.2.4b)式分别除以E0(z)和R0(z),再由(8.2.3a)和(8.2.3b)式有11
13、111211()()()()1()()()()1mmmmmmmmmmmmmk zBzBzJzJzkzkBzJzk zzBzJzk(8.2.5)(8.2.6)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 由(8.2.3)式有B0(z)=J0(z)=1,所以111010111110011111()()()1()()()()()B zB zk z Jzk zJ zk B zz JzkzJ zz B z 令m=2,3,:,M,可推出1()()mmmJzzBz(8.2.7)将上式分别代入(8.2.5)和(8.2.6)式得111112()()()()()()1mmmmmmmmmmmBzBzk zB
14、zBzk zBzBzk(8.2.8a)(8.2.8b)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 下面导出km与滤波器系数b(m)m之递推关系。将(8.2.3a)式代入(8.2.8a)及(8.2.8b)式,利用待定系数法可得到如下两组递推关系:()()()11()()()()1121mmiim immmmmmmim iimmmmmbkbbk bkbbk bbk(8.2.9)(8.2.10)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 例 8.2.1 FIR滤波器由如下差分方程给定:1351()()(1)(2)(3)2483y nx nx nx nx n求其格型结构系数,并画出
15、格型结构图。解 对差分方程两边进行Z变换的H(z)=B3(z):3()123331(1)(2)(3)333(3)331351()()1124831351,248313iiH zB zbzzzbbbkb 第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器(1)(2)(1)33 3223(2)(1)(2)33 3223(2)22(1)(1)(1)222122(1)111353242481891121211414bk bbkbk bbkkbbk bbkkb第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.2.3 H(z)的格型结构流图1/4z11/4z11/21/21/31/3z1y(n
16、)x(n)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 8.2.2 全极点(IIR)格型滤波器 IIR滤波器的格型结构受限于全极点系统函数,可以根据FIR格型结构开发。设一个全极点系统函数由下式给定:()111()()1MiiMiH zA za z(8.2.12)图 8.2.4 全极点(IIR)滤波器格型结构k2y(n)x(n)eMrMeM 1z 1rM 1kM 1 kM 1z 1e1 k2r2z 1r1e0k1 k1z 1r0kM kMe2第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 例 8.2.2 设全极点IIR滤波器系统函数为 求其格型结构网络系数,并画出格型结构。123
17、1()135112483H zzzz解 312()31(1)(2)(3)333135()()1124813513,2483iiMMiBzAzzzb zMbbb 由例 8.2.1 所求FIR格型结构网络系数:123111,423kkk第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器图 8.2.5 例 8.2.2 中的IIR格型结构z11/4z11/21/21/3z1x(n)y(n)1/31/4第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器8.3 简单整系数数字滤波器简单整系数数字滤波器 8.3.1 建立在多项式拟合基础上的简单整系数滤波器 1.多项式拟合的基本概念 设序列x(n)中的一
18、组数据为x(i),i=-M,:,0,:,M,我们可以构造一个p阶多项式fi来拟和这一组数据x(i):2020220,2()()ppkiipkkpMMkikiMiMkfaaia ia ia ipMEfx ia ix i 总的拟合误差为(8.3.1)(8.3.2)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 为了使拟合满足最小均方误差准则,令E对各系数的导数为零,即令002()0,1,()()pMkrkiMkrpMMk rrkkiMiMMrriMMk rk riMEa ix i irpaaix i iFx i isi 则(8.3.3)式可写成如下形式:0prkk rkFa s(8.3.3)
19、(8.3.4)第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 2.最佳拟合模板与简单整系数FIR滤波器的单位脉冲响应h(n)在实际应用中,并不将fi的p+1 个系数全求出来,而是只求出a0,就可实现对x(n)的最佳拟合。由(8.3.1)式可知,例如,当M=2,p=2 时,为五点二次(抛物线)多项式拟合。据(8.3.4)式,并考虑当k+r=奇数时sk+r=0,有 00i ifa(8.3.5)00220204224022020 42s as aFs as aFs Fs Fas ss第第8章章 其它类型的数字滤波器其它类型的数字滤波器 其中,代入上式可得 22202402225,10,34,(
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