东南大学数字信号处理吴镇扬3_3

1、3 33 3 从模拟滤波器低通原型到各种数字滤波器的频率变换从模拟滤波器低通原型到各种数字滤波器的频率变换（原型变换）（原型变换） 对于模拟滤波器,已经形成了许多成熟的设计方案，如巴特沃兹滤波器,切比雪夫滤波器,考尔滤波器,每种滤波器都有自己的一套准确的计算公式，同时，也已制备了大量归一化的设计表格和曲线，为滤波器的设计和计算提供了许多方便，因此在模拟滤波器的设计中，只要掌握原型变换，就可以通过归一化低通原型的参数，去设计各种实际的低通、高通、带通或带阻滤波器。这一套成熟、有效的设计方法，也可通过前面所讨论的各种变换应用于数字滤波器的设计，具体过程如下： 原型变换 映射变换 原型变换也可把前两

2、步合并成一步，直接从模拟低通归一化原型通过一定的频率变换关系，完成各类数字滤波器的设计模拟原型模拟低通、高通带通、带阻数字低通、高通带通、带阻 一低通变换 通过模拟原型设计数字滤波器的四个步骤：1）确定数字滤波器的性能要求，确定各临界频率k。2）由变换关系将k映射到模拟域，得出模拟滤波器的临界频率值k。3）根据k设计模拟滤波器的Ha(s)4） 把Ha(s) 变换成H(z)（数字滤波器系统函数） 下面举例讨论应用模拟滤波器低通原型，设计各种数字滤波器的基本原理，着重讨论双线性变换法。例例1 设采样周期 ,设计一个三阶巴特沃兹LP滤波器,其3dB截止频率fc=1kHz。分别用脉冲响应不变法和双线性

3、变换法求解。 解：a. 脉冲响应不变法 由于脉冲响不变法的频率关系是线性的，所以可直接按c =2fc设计Ha(s)。根据上节的讨论，以截止频率c 归一化的三阶巴特沃兹 滤波器的传递函数为：322211)(ssssHa32)/()/( 2)/( 211)(cccassssHcs /)4(250khzfsTs以 代替其归一化频率，得： 得到巴特沃兹多项式的系数，之后以 代替归一化频率，即得 。 将 代入，就完成了模拟滤波器的设计，但为简化运算，减小误差积累， fc数值放到数字滤波变换后代入。)(sHaccf2cs / 为进行脉冲响应不变法变换，计算Ha(S)分母多项式的根，将上式写成部分分式结构：

4、2/ )31 (3/2/ )31 (3/)(6/6/jcsecjcseccscsHajj6/2113/;,jccecAsA2/)31 (,3/;2/)31 (36/32jsecAjscjcNiTSiZeAZHi111)(iS对照前面学过的脉冲响应不变法中的部分分式形式 ,有将上式部分系数代入数字滤波器的系统函数： 极点 并将 代入，得： 合并上式后两项，并将 代入，计算得： 12/ )31(6/12/ )31(6/11)3/(1)3/(1/)(ZeeTZeeTZeTZHjjcjjcCccc5 . 02Tfcc21112079.01905.015541.0571.12079.01571.11)(

5、ZZZZTZHTcc/ 可见，H（Z）与采样周期T有关，T越小，H（Z）的相对增益越大，这是不希望的。为此，实际应用脉冲响应不变法时稍作一点修改，即求出H（Z）后，再乘以因子T,使H（Z）只与 有关，即只与fc和fs的相对值 有关，而与采样频率fs无直接关系。 例如， 与 的数字滤波器具有相同的传递函数，这一结论适合于所有的数字滤波器设计。 最后得：scff /21112079. 01905. 015541. 0571. 12079. 01571. 1)(zzzzZHCKHzfKHzfcs10,40KHzfKHzfcs1,4 b. 双线性变换法 （一）首先确定数字域临界频率 5 . 02Tfc

6、cTtgTcc222cs/32)/()/(2)/(211)(cccassssHTc/2（二）根据频率的非线性关系，确定预畸的模拟滤波器临界频率(三 ) 以 代入归一化的三阶巴特沃模拟器传递函数并将 代入上式。 （四）将双线性变换关系代入，求H(Z)。311211111121111211211)()(11zzzzzzsHZHzzTsa 231112312111121131311131313111113131311212113131312111312122122211111141111111211111211211zzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzzz 图1 三阶Bu

7、tterworth 数字滤波器的频响脉冲响应不变法双线性变换法fs/2我们也可以用 MATLAB 完成设计，在 MATLAB 中相关的语句有butter（巴特沃兹滤波器） 、impinvar（脉冲响应不变法） 、bilinear（双线性变换） ，具体的程序如下：B,A=butter(3,2*pi*1000,s); num1,den1=impinvar(B,A,4000); h1,w=freqz(num1,den1); B,A=butter(3,2/0.00025,s); num2,den2=bilinear(B,A,4000); h2,w=freqz(num2,den2); f=w/pi*20

8、00; plot(f,abs(h1),-.,f,abs(h2),-); grid; xlabel(频率/Hz ) ylabel(幅值/dB)020040060080010001200140016001800200000.10.20.30.40.50.60.70.80.91频 率 / Hz幅值频率/Hz三阶巴特沃兹滤波器的频率响应幅度/dB 图1为两种设计方法所得到的频响，对于双线性变换法，由于频率的非线性变换，使截止区的衰减越来越快，最后在折 叠频率处 形成一个三阶传输零点,这个三阶零点正是模拟滤波器在 处的三阶传输零点通过映射形成的。因此,双线性变换法使过渡带变窄,对频率的选择性改善,而脉冲

9、响应不变法存在混淆,且没有传输零点。, 1Z问题h(n)为通带边界为 的低通滤波器, 问:(1) 为何种滤波器?(2) 为何种滤波器?1( )( 1)( )nh nh n 200( )2 ( )cos0ch nh nnc 二.高通变换 设计高通、带通、带阻等数字滤波器时，有两种方法： 先设计一个相应的高通、带通或带阻模拟滤波器，然后通过脉冲响应不变法或双线性变换法转换为数字滤波器。 模拟原型 模拟高通、带通、带阻 数字高通、带通、带阻 设计方法同上面讨论的低通滤波器的设计。 即确定 转换为相应的 高通、带通、带阻 模拟滤波器的设计 Ha(s) H(Z) 直接利用模拟滤波器的低通原型，通过一定的

10、频率变换关系，一步完成各种数字滤波器的设计。 频率变换 模拟原型 数字低通、高通、带通、带阻kk这里只讨论第二种方法。因其简捷便利，所以得到普遍采用。 变换方法的选用： 脉冲响应不变法：对于高通、带阻等都不能直接采用，或只 能在加了保护滤波器后才可使用。因此，使 用直接频率变换（第二种方法），对脉冲响 应不变法要有许多特殊的考虑，它一般应用 于第一种方法中。 双线性变换法：下面的讨论均用此方法，实际使用中多数情况 也是如此。基于双线性变换法的高通滤波器设计： 在模拟滤波器的高通设计中，低通至高通的变换就是S变量的倒置，这一关系同样可应用于双线性变换，只要将变换式中的S代之以1/S，就可得到数字

11、高通滤波器. 即11112zzTs 由于倒数关系不改变模拟滤波器的稳定性，因此，也不会影响双线变换后的稳定条件，而且 轴仍映射在单位圆上，只是方向颠倒了。jjjctgTeeTseZjjj22112,时22ctgT如图即 映射到 即 映射到 即 图1 高通变换频率关系 这一曲线的形状与双线性变换时的频率非线性关系曲线相对应，只是将 坐标倒置，因而通过这一变换后可直接将模拟低通变为数字高通,如图2。22Tctg 01z1z01.01.00 图2 高通原型变换 应当明确： 所谓高通DF，并不是高到 ，由于数字频域存在 折叠频 率 ，对于实数响应的数字滤波器， 部分只是 的镜象部分，因此有效的数字域仅

12、是 ，高通也仅指这一段的高端，即到 为止的部分。 高通变换的计算步骤和低通变换一样。但在确定模拟原型预畸的临界频率时，应采用 , 不必加负 号，因临界频率只有大小的意义而无正负的意义。2由0由022kkctgT例例 ： 采样 设计一个三阶切比雪夫高通DF，其通过频率 （但不必考虑 以上的频率分量），通带内损耗不大于1dB。 解：首先确定数字域截止频率 , ,100,10usTkHzfskHzf5 .2kHzfs525.0211Tf22211TctgT1222/11)(NaVjH)(NV则切比雪夫低通原型的振幅平方函数为：为N阶切比雪夫多项式通带损耗 时，N=3时,系统函数为：5089. 011

13、01 . 03212131319883. 0238. 14913. 04913. 0)(ssssHadB1为方便，将 和 S 用T/2归一化， 则12, 12/11TssT329883. 0238. 14913. 04913. 0)(ssssHa于是 321321112041. 06043. 03432. 013311321. 0)()(11zzzzzzsHZHzzsa图3 三阶切比雪夫高通频响例例5 设计一数字高通滤波器，它的通带为400500Hz，通带内容许有0.5dB的波动，阻带内衰减在小于317Hz的频带内至少为19dB，采样频率为1,000Hz。 32492. 02100024002

14、ctg2cTT6498. 02100023172ctg2rTT32492. 02/ccTcT26498. 02/sr0255842155. 0166563075. 04127346. 00255842155. 0)(23assssH11112/zzTss3213145376786. 052427784. 197486024. 11)1 (01594149. 0)(zzzzzHwc=2*1000*tan(2*pi*400/(2*1000);wt=2*1000*tan(2*pi*317/(2*1000);N,wn=cheb1ord(wc,wt,0.5,19,s);B,A=cheby1(N,0.5,

15、wn,high,s);num,den=bilinear(B,A,1000);h,w=freqz(num,den);f=w/pi*500;plot(f,20*log10(abs(h);axis(0,500,-80,10);grid; xlabel() ylabel(幅度/dB)050100150200250300350400450500-80-70-60-50-40-30-20-10010频 率 / Hz幅 度 / dB频率/Hz 切比雪夫高通滤波器幅度/dB三带通变换 如图1 ,如果数字频域上带通的中心频率为 ，则带通变换的目的是将:000000映射0jezjS1z11cos2)1(122zz

16、zzzezezsojjoo模拟低通000映射（频率映射关系具有周期性, 幅频响应具有原点对称性）。 即将S的原点映射到 ，而将 点映射到 ，满足这一要求的双线性变换为： 当 时 因此 （带通变换关系 ）jjojjjojjeeeeeeescos211cos222jsjso又,sincoscossincoscosojze 图中 点正好映射在 上，而 映射在 ， 两端，因此满足带通变换的要求。000带通变换的频率关系稳定性证明： 同时，这一变换也满足稳定性要求，设 由于上式完全是实数，所以是映射在S平面 轴上。其中分子永远非负的 ， 因此 的正负决定于分母由此证明了，S左半平面映射在单位圆内，而右半

17、平面映射在单位圆外，这种变换关系是稳定的变换关系，可用它来完成带通的变换，如图1。0 rz11cos222rrrso1cos1211cos212222rrrrrroo0)cos1(212orr12r010, 1时，时，rr 图1 带通原型变换 设计： 设计带通时，一般只给出上、下边带的截止频率 作为设计要求。 为了应用以上变换，首先要将上下边带参数 换算成中心频率 及模拟低通截止频率 。为此将 代入变换关系式：由于 在模拟低通中是一对镜象频率，代入上面两等式，求出21,21,0cco,21求21,111sincoscoso21,210cos2cos2cossinsinsincos2121212

18、10222sincoscoso例例又 同时也就是模拟低通的截止频率 ，有了这两个参数就可完成全部计算。 ：采样 fs=400kHz，设计一巴特沃兹带通滤波器，其3dB边界频率分别为f2=90kHz,f1=110kHz,在阻带f3=120kHz处最小衰减大于10dB。解：确定数字频域的上下边带的角频率求中心频率： 1c11sincoscosoc45.0/222sff55.0/211sff6.0/233sff55. 0sin45. 0sin55. 045. 0sincos05 . 000P88 例6 带通滤波器设计3dB10dBf2f1 f3H(ej)f求模拟低通的通带截止频率 与阻带边界频率 ：

19、 从 频率增加了约1.05倍，衰减增加了（10-3）dB，故选用二阶巴特沃兹滤波器可满足指标 归一化的系统函数： 代入 ， 代入变换公式 cs1584. 055. 0sin55. 0cos5 . 0cosc3249.06 .0sin6 .0cos5 .0cosssc 到121)(2sssHac1/2/1)(2ccasssH1111cos222202zzzzzs111317. 6211317. 61)()(2222221122zzzzsHazHzzs66.3725.8466.37) 1(2422zzz w1=2*400*tan(2*pi*90/(2*400);w2=2*400*tan(2*pi*

20、110/(2*400);wr=2*400*tan(2*pi*120/(2*400);N,wn=buttord(w1 w2,0 wr,3,10,s);B,A=butter(N,wn,s);num,den=bilinear(B,A,400);h,w=freqz(num,den);f=w/pi*200;plot(f,20*log10(abs(h);axis(40,160,-30,10);grid; xlabel(频率/kHz) ylabel(幅度/dB)巴特沃兹带通滤波器406080100120140160-30-25-20-15-10-50510频 率 / kH z幅 度 / dB频率/kHz幅度

21、/dB 四带阻变换 把带通的频率关系倒置就得到带阻变换。 ozzzscoscossin,1cos21022011coscossincco,21求给定例例 一数字滤波器采样频率fs = 1kHz，要求滤除100Hz的干扰，其dB的边界频率为95Hz和105Hz，原型归一化低通滤波器为ssH11)(1a2cos2cossinsinsincos212121210P.88例7w1=95/500;w2=105/500;B,A=butter(1,w1, w2,stop);h,w=freqz(B,A);f=w/pi*500;plot(f,20*log10(abs(h);axis(50,150,-30,10)

22、;grid; xlabel(频率/Hz) ylabel(幅度/dB)5060708090100110120130140150-30-25-20-15-10-50510频 率 / Hz幅 度 / dB频率/Hz巴特沃兹带阻滤波器幅 度/dB3.4 3.4 从低通数字滤波器到各种数字滤波器的频率变换从低通数字滤波器到各种数字滤波器的频率变换（Z Z平面变换法）平面变换法） 上一节讨论了由模拟网络的低通原型来设计各种DF的方法，这种原型变换的设计方法同样也可直接在数字域上进行。 DF低通原型函数 这种变换是由 所在的Z平面到H（z）所在的Z平面的一个映射变换。 为便于区分变换前后两个不同的Z平面，我

23、们把变换前的 Z平面定义为u平面，并将这一映射关系用一个函数g表示： 变换)(zHp)(ZHp)(11zgu各种DF的 H（z）平面平面zuZHuHzgup)()()(11于是，DF的原型变换可表为： )(11)()(zgupuHzH)(1zg)(1zg1z)(1zgjjee 和)(jjjjeegege )(jeg1jeg2）希望变换以后的传递函数保持稳定性不变，因此要求 u的单位圆内部必须对应于z的单位圆内部。3） 必须是全通函数。 为使两个函数的频响满足一定的变换要求，Z的单位圆应映射到u的单位圆上，若以 分别表示u平面和Z平面的单位圆，则且必有 ，其中 是 的相位函数， 即函数在单位圆上

24、的幅度必须恒为1，称为全通函数。函数 的特性：1) 是 的有理函数。全通函数的基本特性：其中 为极点，可为实数，也可为共轭复数，但必须在单位圆以内，即 ，以保证变换的稳定性不变，*为取共轭。 的所有零点 都是其极点的共轭倒数 N：全通函数的阶数。 变化时，相位函数 的变化量为 。 不同的N和 对应 各类不同的变换。 Niiizzzg11*111)(i1i)(1zg*/1i0i N任何全通函数都可以表示为：下面具体讨论几种原型变换： 低通低通（LP） LPLP的变换中， 和 都是低通函数，只是截止频率互不相同（或低通滤波器的带宽不同），因此当 时，相应的 ，如图1(a)，根据全通函数相位 变化量

25、为 的性质，可确定全通函数的阶数N=1，且必须满足以下两条件： g(1) = 1 , g(-1) = -1 满足以上要求的映射函数应为)(jpeHjeH0 N1111)(zzzg10其中 是实数，且 图1(a) LP-LP变换（有对称性）c00 代入（1）式，可得到上述变换所反映的频率变换关系： 由此得 上式把 ， 。频率特性: 呈线性关系，其余为非线性。 当 时， ， 带宽变窄， 当 时， ， 带宽变宽， 适当选择 ，可使 变换为 ，如图1(b)所示 。 :低通原型截止频率， : 变换后截止 频率 jjeuez及将）（21jjjeeecos12sin122arctg,0zucc时00cccc

26、cccc00LP-LP频率变换图 LP-LP频率变换特性 cc 确定 ： 把变换关系 带入（2）式 ，有： 得 （2） 式的 频率关系，如图1(b) cccjjjeee12sin2sincccc cc LP-HP a .基本思想：上述 LP 变换中的Z代以Z , 则 LP = HP 。)( zH b. 高通变换）（21jjjeee或, 00LP-HP变换把cc如图2（a）， 在上述LP-LP 变换中，将 Z代以Z , 得 LP - HP变换关系：）（11111111zzzzu LP - Hp变换图2 (a) LP Hp变换cc00 原型低通的截止频率 对应于高通的边界频率 ，欲将 变换到 ，由（2）式， 有： （2） 式的 频率关系，如图2(b)中的曲线（实线） cccccccccccjjjjjjeeeeee1,12cos2coscccc:确定 LP-BP LP-BP变换把带通的中心频率 故 N=2。 由以上分析得变换关系： 或 00c2c1) 1 (1)(1122211211zrzrrzrzzgu) 2(11222