数字滤波器设计步骤.doc

数字信号处理数字滤波器的设计学院计算机与电子信息学院专业电子信息科学与技术班级电子15-2班姓名学号**********指导教师刘利民数字滤波器的设计一、模拟低通滤波器的设计方法1、Butterworth滤波器设计步骤:⑴.确定阶次N已知Ωc、Ωs和As求ButterworthDF阶数N由:求出N:已知Ωc、Ωs和Ω=Ωp()的衰减Ap求ButterworthDF阶数N已知Ωp、Ωs和Ω=Ωp的衰减Ap和As求ButterworthDF阶数N由⑵.用阶次N确定根据公式:在左半平面的极点即为的极点,因而,2、切比雪夫低通滤波器设计步骤:⑴.确定技术指标归一化:⑵.根据技术指标求出滤波器阶数N及:其中⑶.求出归一化系统函数其中极点由下式求出:或者由和S直接查表得⑷.去归一化:二、数字低通滤波器的设计步骤:确定数字低通滤波器的技术指标:通带截止频率、通带最大衰减系数、阻带截止频率、阻带最小衰减系数。将数字低通滤波器的技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标。巴特沃斯:切比雪夫:其中3、把模拟滤波器变换成数字滤波器,即把模拟滤波器的系数映射成数字滤波器的系统函数。实现系统传递函数s域至z域映射有脉冲响应不变法和双线性映射两种方法。(1)脉冲响应不变法。按照技术要求设计一个模拟低通滤波器,得到模拟低通滤波器的传输函数转换成数字低通滤波器的系统函数H(z)。设模拟滤波器的传输函数为,相应的单位冲激响应是,=LT[],LT[.]代表拉氏变换,对进行等间隔采样,采样间隔为T,得到,将h(n)=作为数字滤波器的单位取样响应,那么数字滤波器的系统函数H(z)便是h(n)的Z变换。因此脉冲响应不变法是一种时域上的转换方法,它是h(n)在采样点上等于。设模拟滤波器只有单阶极点,且分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次,将用部分分式表示:,式中为的单阶极点。将逆拉氏变换得到:,式中u(t)是单位阶跃函数。对进行等间隔采样,采样间隔为T,得到:对上式进行Z变换,得到数字滤波器的系统函数H(z):,经过一系列变换得到:(2)双线性变换法这种变换方法,采用非线性频率压缩方法,将整个频率轴上的频率范围压缩到±π/T之间,再用转换到z平面上。设Ha(s),s=jΩ,经过非线性频率压缩后用Ha(s1),=jΩ1表示,这里用正切变换实现频率压缩:式中T仍是采样间隔,当Ω1从-π/T经过0变化到π/T时,Ω则由-∞经过0变化到+∞,实现了s平面上整个虚轴完全压缩到平面上虚轴的±π/T之间的转换。这样便有再通过转换到z平面上,得到:令,有两种方法比较:脉冲响应不变法的优点:1,模拟频率到数字频率的转换时线性的;2,数字滤波器单位脉冲响应的数字表示近似原型的模拟滤波器单位脉冲响应,因此时域特性逼近好。缺点:会产生频谱混叠现象,只适合带限滤波器双线性变换法优点:克服多值映射得关系,可以消除频率的混叠缺点:时域到频域的变换是非线性的,在高频处有较大的失真。三、数字高通滤波器的设计步骤:①数字高通滤波器的技术指标为:通带截止频率ωp阻带截止频率ωs通带衰减频率αP阻带衰减频率αs②预畸变处理,将数字高通指标转换为模拟低通指标确定阶数N由(可由模拟低通滤波器设计方法可得)④归一化及去归一化查表令s=s/Ω归一化模拟低通圆型系统函数GP=1P2+2P+1⑤低通向高通转化令s1=1/s由频率变换公式Has=Gρ|p=xPΩPhS即可得⑥滤波器数字化令利用双线性变换化Hz=Has|s=1-Z-11+Z-1带入数据可得数字高通H(z)数字高通不能采用脉冲响应不变法原因是:脉冲响应不变法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。四、数字带通滤波器的设计:步骤:确定性能指标:在设计带通滤波器之前,首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标:通带截止频率wc1,wc2、阻带截止频率wr1,wr2、阻带最小衰减αs通带最大衰减αp(2)对带通数字滤波器H(z)的数字边界频率预畸变Ω=2T*tanw2得到带通模拟滤波器H(s)的边界频率主要是通带截止频率ωp1,ωp2;阻带截止频率ωs1,ωs2的转换。对双线性变换法一般T=2s通带截止频率wc1=(2/T)*tan(wp1/2)、wc2=(2/T)*tan(wp2/2)阻带截止频率wr1=(2/T)*tan(ws1/2)、wr2=(2/T)*tan(ws2/2)阻带最小衰减αs通带最大衰减αp(3)低通到带通频率变换λ=Ω2-Ω02B*Ω将模拟带通滤波器指标转换为模拟低通滤波器指标。B=wc2-wc1normwr1=(((wr1^2)-(w0^2))/(B*wr1))normwr2=(((wr2^2)-(w0^