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数字系统综合 --- 数字滤波器设计方法 ---. 东南大学 无线电系 束海泉 Tel :83792479 Email: shq@seu.edu.cn. 概述. 什么情况下采用数字系统设计 从历来的比赛题 , 看数字系统的应用优势 数字系统设计的知识准备 数字信号处理理论 离散时间系统的分析综合和实现 模拟滤波器 数字滤波器. 数字信号处理的一般概念. DSP 的两个重要工具 FFT 数字滤波. 上述 DFT 变换要进行 N 2 次 乘法运算 利用 Sin 函数的对称性和周期性 , 可删减大量的重复运算 , N 越大 , 运算的浪费越大
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数字系统综合---数字滤波器设计方法--- 东南大学 无线电系 束海泉 Tel :83792479 Email: shq@seu.edu.cn
概述 • 什么情况下采用数字系统设计 • 从历来的比赛题,看数字系统的应用优势 • 数字系统设计的知识准备 • 数字信号处理理论 • 离散时间系统的分析综合和实现 • 模拟滤波器 • 数字滤波器
数字信号处理的一般概念 DSP 的两个重要工具 FFT 数字滤波
上述DFT变换要进行 N2次乘法运算 利用Sin 函数的对称性和周期性,可删减大量的重复运算, N越大,运算的浪费越大 减小样本点数N的一个方法: ------ 将大的样本分解为小的样本 利用Fourier积分变换的线性性质,将小样本分别变换的结果,合成为N个点的变换. 由大分解为小的方法之一:------隔点抽取法 关于FFT
关于FFT • 线性积分变换的三个性质: • 两个序列之和的变换,等于两者分别变换之和(线性叠加性) • 序列时移,对应于变换域的相移(时移—相移) • 序列样点的间隔变换对应于变换域的频率变换(尺度变换) • 利用这三个性质,将N点序列分解为两个N/2长度的序列,分别变换. • 对变换结果进行合成,合成时,要补偿相位的偏移量.
关于滤波器 • 电路系统中储能元件L,C的存在,它们与电路中的R一起,产生信号传输的延迟 • 延迟的效果,对于不同的频率信号,作用不一样,产生了滤波作用. ---产生滤波过程的实质,是电路中存在延迟 ---低频的滤波对应于大的延时 • 其他的延迟信号的方法 • 开关电容---开关电容滤波器 • 数字存储延迟---数字滤波器
开关电容滤波器 用小电容,即可实现大值电阻,便于集成 改变 f, 即可改变电阻R, 通过改变RC时间常数(延时),改变滤波器特性,实现程控 开关电容滤波器,是时间离散,幅度为模拟量的系统.
数字滤波器 • 采用逐级数字存储的方法,来控制延迟时间, • 可以实现任意长时间的延时,因而实现任意低频的滤波 • 对延时序列中的各个样点值,加权求和输出,即完成了滤波(FIR) • 离散时间系统: • 差分方程 • 传递函数
二阶滤波器 • 高阶分解为一阶和二阶的节联组合 • 全极点二阶,代表一个谐振型的滤波器. • 它描述的极点位置如下图
二阶节数字滤波器的极点位置 单位园 R=1
一个二阶谐振型滤波器的幅频特性 三个参差调谐二阶谐振型滤波器级联后的幅频特性
以上设计过程,注重了介绍数字滤波器的物理概念,可以满足幅频特性的要求.以上设计过程,注重了介绍数字滤波器的物理概念,可以满足幅频特性的要求. • 对滤波器的相频特性有要求的滤波器设计,应采用逼近函数的设计方法
根据模拟滤波器来设计IIR滤波器 根据模拟滤波器来设计数字滤波器，就是从已知的模拟滤波器传递函数Ha(s)设计数字滤波器传递函数H(z)。因此，它归根到底是一个由s平面到z平面的变换，必须满足两条基本要求： H(z) 的频响要能模拟Ha(s)的频响，即s平面的虚轴必须映射到z平面的单位圆e j上。 因果稳定的Ha(s)应能映射成因果稳定的H(z)。也就是s平面的左半平面Re[s]<0应该映射到z平面的单位圆以内 |z|<1。 不同的变换是通过保留模拟或数字滤波器的不同方面的特性得到的。如果我们想保留冲击响应的形状，我们得到脉冲响应不变法变换；如果我们想把一个差分等式的表达转换成相应的差分方程，我们得到有限差分逼近技术。而另一种叫做“阶跃不变”的技术保留了单位阶跃响应的形状。此外，应用最为广泛的是“双线性变换法”，其保留了模拟域装换到数字域过程中的的系统函数。 总结而言，模拟滤波器到数字滤波器的映射问题主要有两种映射方法：脉冲响应不变法和双线性变换法，对这两种方法简要介绍如下：
脉冲响应不变法 这种设计方法的思想是使数字滤波器的冲击响应与频率选择性的模拟滤波器相似。因此我们以采样间隔Ｔ来采样模拟滤波器冲击响应ha(t)来获得数字滤波器的冲击响应： h(n)=ha(nT) 其中模拟与数字频率的关系如下＝T 。 由于z=在单位圆上，而ｓ＝ｊ在虚轴上，我们有如下ｓ平面到ｚ平面的变换公式： z=e sT (1) 系统函数H(z)与Ha(s)之间有如下的频域混叠公式相对应： 这是多对一的映射。 由于整个S平面的左半边映射到单位圆，因此一个因果稳定的滤波器映射到另一个因果稳定的滤波器。 总会有混叠现象发生。 多对一的映射 z=e sTIm(z)Re(z)单位圆
Im(z) 单位圆 Re(z) 多对一的映射 z=e sT
双线性变换法 这种映射其变换关系如下： (3) 在频域不会有混叠现象发生。其数字与模拟频率之间的映射关系如下： 由此可见模拟频率与数字频率之间是非线性的映射，在低频阶段，线性性质还比较好，但高频段非线性比较严重。 一对一的映射 z=e sTIm(z)Re(z)单位圆
Im(z) 单位圆 Re(z) 一对一的映射 z=e sT
利用MATLAB设计 • 1,明确要求,例如给出幅度平方特性曲线 • 2,采用标准 • 3,确定希望的硬件和软件结构 • 4,根据滤波器的要求特点,选择逼近函数形式,输入参数,调用辅助设计工具 • 6,人工干预:选择结构 • 5,对设计的滤波器模拟仿真
MATLAB设计例 • 采用标准:GB3241-82 和国际标准IEC225 规定的滤波器相对衰减限值。我们的滤波器设计指标将比标准GB3241-82和标准GB3241-82更为严格；而真正设计出的滤波器的实际指标在某些方面又超过了我们将要介绍的部分情况。下面是根据IEC-225标准设计的滤波器,用于音频频谱分析仪中. 1/3 二倍频程带通滤波器的规定，我们的滤波器的主要设计要求指标： 幅频特性的函数为 H=H（f） 中心频率为fc, 通带为[fpl，fph]， 阻带为[fsl，fsh]之外的部分。 带内波动小于0.5dB, 阻带衰减大于36dB。 具体要求如图1所示：
0dB -0.5dB -3dB -36dB fsl fpl fc fph fsh
借助Matlab的辅助设计，我们得到的三个1/3 二倍频程带通滤波器都是采用椭圆滤波器原型的8阶IIR滤波器。 选择结构形式的考虑: IIR滤波器的实现结构分为直接I型，直接II型，级联型和并联型。直接型结构对系数ai和bi的精度要求比较严格。从极零点的角度来看，任何一个系数ai的改变都将影响系统各零点的分布；同样，任何一个系数bi的改变都将影响系统各极点的分布。当阶数N较高时，这种影响将更大。将高阶变成一系列不同组合的低阶系统来实现。而对于级联结构来说，各二阶节点的极零点相对独立，因此它有一定的独立性，也便于调整。对于并联型结构，可以独立的调整其极点位置，但是不能控制零点。对于运算误差，并联的各基本节不互相影响，而级联型前级的输出误差有座位后级的输入误差，因此，并联型结构比级联型结构的运算误差要小一些。总之，当对传输零点的精度要求较高时，采用级联型较为合适，其他情况，采用并联型结构稍好一些。零点对于我们的系统来说对应着带外的衰减，这是滤波器很重要的设计指标。因此我们采用级联型结构。级联型的IIR结构如图5.3所示。其中二阶节有两种实现结构：直接II型和直接I型，前者比后者节省一半的延时单元。因此我们采用直接II型来实现二阶节。
考虑具体的实施 该设计在 TMS32054xx 的DSP系统中实现,在CCS开发环境中开发. CCS所提供的用于信号分析处理的函数库dsplib中，IIR滤波器的计算是由二阶节的并联组成的。每个滤波器采用直接二型的结构。 三个八阶椭圆1/3 二倍频程带通滤波器的系数表如表5.3所示，其幅频特性曲线及零极点图如图5.7~5.9所示：
直接 I 型 直接 II 型
三个八阶椭圆1/3 二倍频程带通滤波器的系数表如表5.3所示，其幅频特性曲线及零极点图如图5.7~5.9所示： 表5.3.1 中心频率22.3KHz的1/3 二倍频程带通滤波器的系数表 表5.3.2 中心频率17.7KHz的1/3 二倍频程带通滤波器的系数表 表5.3.3 中心频率14.0KHz的1/3 二倍频程带通滤波器的系数表
中心频率22.3KHz的1/3 二倍频程带通滤波器的幅频特性曲线
中心频率22.3KHz的1/3 二倍频程带通滤波器的零极点图
中心频率17.7KHz的1/3 二倍频程带通滤波器的幅频特性曲线
