第五章数字滤波器的基本结构1课件

第五章数字滤波器的基本结构

1第五章数字滤波器的基本结构1一、数字滤波器结构的表示方法数字滤波器的系统函数：常系数线性差分方程:2一、数字滤波器结构的表示方法数字滤波器的系统函数：常系数线加法器常数乘法器单位延时基本运算单元方框图流图3加法器常数乘法器单位延时基本运算单元方框图流图3例：二阶数字滤波器方框图结构流图结构4例：二阶数字滤波器方框图结构流图结构4流图结构节点源节点支路阱节点网络节点分支节点输入支路相加器节点的值=所有输入支路的值之和输出支路支路的值=支路起点处的节点值传输系数5流图结构节点源节点支路阱节点网络节点分支节点输入支路相加器节二、IIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样相应h(n)无限长IIR数字滤波器的特点：3）存在输出到输入的反馈，递归型结构2）系统函数H(z)在有限z平面（）上有极点存在6二、IIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样相应h(n)IIR数字滤波器的基本结构：直接Ⅰ型直接Ⅱ型（典范型）级联型并联型7IIR数字滤波器的基本结构：直接Ⅰ型直接Ⅱ型（典范型）级联型1、直接Ⅰ型差分方程:需N+M个延时单元81、直接Ⅰ型差分方程:需N+M个8直接I型结构的特点此结构的特点为：(1)两个网络级联：第一个横向结构M节延时网络实现零点，第二个有反馈的N节延时网络实现极点。(2)共需(N+M)级延时单元(3)系数ai,bi不是直接决定单个零极点，因而不能很好地进行滤波器性能控制。(4)极点对系数的变化过于灵敏，从而使系统频率响应对系统变化过于灵敏，也就是对有限精度（有限字长）运算过于灵敏，容易出现不稳定或产生较大误差。9直接I型结构的特点此结构的特点为：92、直接Ⅱ型（典范型）

直接II型原理将上面直接I型结构的两部分看成两个独立的网络（即两个子系统）。原理：一个线性时不变系统，若交换其级联子系统的次序，系统函数不变。把此原理应用于直接I型结构。即：（1）交换两个级联网络的次序（2）合并两个具有相同输入的延时支路。得到另一种结构即直接II型。102、直接Ⅱ型（典范型）直接II型原理10（1）对调对调11（1）对调对调11（2）合并只需实现N阶滤波器所需的最少的N个延时单元，故称典范型。（）合并12（2）合并只需实现N阶滤波器所需的最少的N个延时单元，故称典直接II型特点直接II型结构特点：(1)两个网络级联。第一个有反馈的N节延时网络实现极点；第二个横向结构M节延时网络实现零点。(2)实现N阶滤波器（一般N>=M)只需N级延时单元，所需延时单元最少。故称典范型。(3)同直接I型一样，具有直接型实现的一般缺点。13直接II型特点13直接型的共同缺点：系数，对滤波器的性能控制作用不明显极点对系数的变化过于灵敏，易出现不稳定或较大误差运算的累积误差较大14直接型的共同缺点：系数，对滤波器的性能控制作例子已知IIRDF系统函数，画出直接I型、直接II型的结构流图。解：为了得到直接I、II型结构，必须将H(z)化为Z-1的有理式x(n)8-411Z-1Z-1y(n)5/4-3/4Z-1Z-1Z-11/8Z-1-25/4Z-1Z-1Z-1-3/41/8-411-28y(n)x(n)注意反馈部分系数符号15例子已知IIRDF系统函数，画出直接I型、直接II型的结构3、级联型将系统函数按零极点因式分解:163、级联型将系统函数按零极点因式分解:16将共轭成对的复数组合成二阶多项式，系数即为实数。为采用相同结构的子网络，也将两个实零点/极点组合成二阶多项式当零点为奇数时：有一个当极点为奇数时：有一个17将共轭成对的复数组合成二阶多项式，系数即为实数。当零点为奇数1818各二阶基本节的排列次序有种当M=N时，二阶因子配对方式有种19各二阶基本节的排列次序有种当M级联型的特点：调整系数，能单独调整滤波器的第k对零点，而不影响其它零极点

运算的累积误差较小具有最少的存储器便于调整滤波器频率响应性能调整系数，能单独调整滤波器的第k对极点，而不影响其它零极点20级联型的特点：调整系数，能单独调整滤波器的4、并联型将因式分解的H(z)展成部分分式：当N为奇数时，有一个组合成实系数二阶多项式：214、并联型将因式分解的H(z)展成部分分式：当N为奇数时，有22222323并联型的特点：通过调整系数，可单独调整一对极点位置，但不能单独调整零点位置各并联基本节的误差互相不影响，故运算误差最小可同时对输入信号进行运算，故运算速度最高24并联型的特点：通过调整系数，可单独调整一对极转置定理：原网络中所有支路方向倒转，并将输入x(n)和输出y(n)相互交换，则其系统函数H(z)不改变。25转置定理：原网络中所有支路方向倒转，并将输入x(n)和输出y2626例：设IIR数字滤波器差分方程为：试用四种基本结构实现此差分方程。解：对差分方程两边取z变换，得系统函数：27例：设IIR数字滤波器差分方程为：解：对差分方程两边取z变换得直接Ⅰ型结构：典范型结构：28得直接Ⅰ型结构：典范型结构：28将H(z)因式分解：得级联型结构：29将H(z)因式分解：得级联型结构：29将H(z)部分分式分解：得并联型结构：30将H(z)部分分式分解：得并联型结构：30三、FIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样响应h(n)有限长，设N点

FIR数字滤波器的特点：2）系统函数H(z)在处收敛，有限z平面只有零点，全部极点在z=0处（因果系统）3）无输出到输入的反馈，一般为非递归型结构系统函数：z=0处是N-1阶极点有N-1个零点分布于z平面31三、FIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样响应h(n32321、横截型（卷积型、直接型）差分方程:331、横截型（卷积型、直接型）差分方程:332、级联型N为偶数时，其中有一个（N-1个零点）将H(z)分解成实系数二阶因式的乘积形式:342、级联型N为偶数时，其中有一个（级联型的特点系数比直接型多，所需的乘法运算多每个基本节控制一对零点，便于控制滤波器的传输零点35级联型的特点系数比直接型多，所需的乘法运算多每个基本节控制一3、频率抽样型N个频率抽样H(k)恢复H(z)的内插公式：363、频率抽样型N个频率抽样H(k)恢复H(z)的内插公式：3子系统：是N节延时单元的梳状滤波器 在单位圆上有N个等间隔角度的零点：频率响应：37子系统：是N节延时单元的梳状滤波器 在单位圆上有N个等单位圆上有一个极点：与第k个零点相抵消，使该频率处的频率响应等于H(k)谐振器子系统：38单位圆上有一个极点：与第k个零点相抵消，使该频率

3939频率抽样型结构的优缺点调整H(k)就可以有效地调整频响特性若h(n)长度相同，则网络结构完全相同，除了各支路增益H(k)，便于标准化、模块化有限字长效应可能导致零极点不能完全对消，导致系统不稳定系数多为复数，增加了复数乘法和存储量40频率抽样型结构的优缺点调整H(k)就可以有效地调整频响特性若修正频率抽样结构将零极点移至半径为r的圆上：41修正频率抽样结构将零极点移至半径为r的圆上：41为使系数为实数，将共轭根合并由对称性：又h(n)为实数，则42为使系数为实数，将共轭根合并由对称性：又h(n)为实数，则4将第k个和第(N-k)个谐振器合并成一个实系数的二阶网络：43将第k个和第(N-k)个谐振器合并成一个实系数的二阶网络：4当N为偶数时，还有一对实数根k=0,N/2处：44当N为偶数时，还有一对实数根k=0,N/2处：444545N为奇数时只有一个实数根在k=0处：z=r46N为奇数时只有一个实数根在k=0处：z=r464、快速卷积结构474、快速卷积结构475、线性相位FIR滤波器的结构FIR滤波器单位抽样响应h(n)为实数，且满足：偶对称：或奇对称：即对称中心在(N-1)/2处则这种FIR滤波器具有严格线性相位。485、线性相位FIR滤波器的结构FIR滤波器单位抽样响应h(nN为奇数时49N为奇数时49h(n)偶对称，取“+”h(n)奇对称，取“”，且50h(n)偶对称，取“+”h(n)奇对称，取“”，且50N为偶数时51N为偶数时51第五章数字滤波器的基本结构

52第五章数字滤波器的基本结构1一、数字滤波器结构的表示方法数字滤波器的系统函数：常系数线性差分方程:53一、数字滤波器结构的表示方法数字滤波器的系统函数：常系数线加法器常数乘法器单位延时基本运算单元方框图流图54加法器常数乘法器单位延时基本运算单元方框图流图3例：二阶数字滤波器方框图结构流图结构55例：二阶数字滤波器方框图结构流图结构4流图结构节点源节点支路阱节点网络节点分支节点输入支路相加器节点的值=所有输入支路的值之和输出支路支路的值=支路起点处的节点值传输系数56流图结构节点源节点支路阱节点网络节点分支节点输入支路相加器节二、IIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样相应h(n)无限长IIR数字滤波器的特点：3）存在输出到输入的反馈，递归型结构2）系统函数H(z)在有限z平面（）上有极点存在57二、IIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样相应h(n)IIR数字滤波器的基本结构：直接Ⅰ型直接Ⅱ型（典范型）级联型并联型58IIR数字滤波器的基本结构：直接Ⅰ型直接Ⅱ型（典范型）级联型1、直接Ⅰ型差分方程:需N+M个延时单元591、直接Ⅰ型差分方程:需N+M个8直接I型结构的特点此结构的特点为：(1)两个网络级联：第一个横向结构M节延时网络实现零点，第二个有反馈的N节延时网络实现极点。(2)共需(N+M)级延时单元(3)系数ai,bi不是直接决定单个零极点，因而不能很好地进行滤波器性能控制。(4)极点对系数的变化过于灵敏，从而使系统频率响应对系统变化过于灵敏，也就是对有限精度（有限字长）运算过于灵敏，容易出现不稳定或产生较大误差。60直接I型结构的特点此结构的特点为：92、直接Ⅱ型（典范型）

直接II型原理将上面直接I型结构的两部分看成两个独立的网络（即两个子系统）。原理：一个线性时不变系统，若交换其级联子系统的次序，系统函数不变。把此原理应用于直接I型结构。即：（1）交换两个级联网络的次序（2）合并两个具有相同输入的延时支路。得到另一种结构即直接II型。612、直接Ⅱ型（典范型）直接II型原理10（1）对调对调62（1）对调对调11（2）合并只需实现N阶滤波器所需的最少的N个延时单元，故称典范型。（）合并63（2）合并只需实现N阶滤波器所需的最少的N个延时单元，故称典直接II型特点直接II型结构特点：(1)两个网络级联。第一个有反馈的N节延时网络实现极点；第二个横向结构M节延时网络实现零点。(2)实现N阶滤波器（一般N>=M)只需N级延时单元，所需延时单元最少。故称典范型。(3)同直接I型一样，具有直接型实现的一般缺点。64直接II型特点13直接型的共同缺点：系数，对滤波器的性能控制作用不明显极点对系数的变化过于灵敏，易出现不稳定或较大误差运算的累积误差较大65直接型的共同缺点：系数，对滤波器的性能控制作例子已知IIRDF系统函数，画出直接I型、直接II型的结构流图。解：为了得到直接I、II型结构，必须将H(z)化为Z-1的有理式x(n)8-411Z-1Z-1y(n)5/4-3/4Z-1Z-1Z-11/8Z-1-25/4Z-1Z-1Z-1-3/41/8-411-28y(n)x(n)注意反馈部分系数符号66例子已知IIRDF系统函数，画出直接I型、直接II型的结构3、级联型将系统函数按零极点因式分解:673、级联型将系统函数按零极点因式分解:16将共轭成对的复数组合成二阶多项式，系数即为实数。为采用相同结构的子网络，也将两个实零点/极点组合成二阶多项式当零点为奇数时：有一个当极点为奇数时：有一个68将共轭成对的复数组合成二阶多项式，系数即为实数。当零点为奇数6918各二阶基本节的排列次序有种当M=N时，二阶因子配对方式有种70各二阶基本节的排列次序有种当M级联型的特点：调整系数，能单独调整滤波器的第k对零点，而不影响其它零极点

运算的累积误差较小具有最少的存储器便于调整滤波器频率响应性能调整系数，能单独调整滤波器的第k对极点，而不影响其它零极点71级联型的特点：调整系数，能单独调整滤波器的4、并联型将因式分解的H(z)展成部分分式：当N为奇数时，有一个组合成实系数二阶多项式：724、并联型将因式分解的H(z)展成部分分式：当N为奇数时，有73227423并联型的特点：通过调整系数，可单独调整一对极点位置，但不能单独调整零点位置各并联基本节的误差互相不影响，故运算误差最小可同时对输入信号进行运算，故运算速度最高75并联型的特点：通过调整系数，可单独调整一对极转置定理：原网络中所有支路方向倒转，并将输入x(n)和输出y(n)相互交换，则其系统函数H(z)不改变。76转置定理：原网络中所有支路方向倒转，并将输入x(n)和输出y7726例：设IIR数字滤波器差分方程为：试用四种基本结构实现此差分方程。解：对差分方程两边取z变换，得系统函数：78例：设IIR数字滤波器差分方程为：解：对差分方程两边取z变换得直接Ⅰ型结构：典范型结构：79得直接Ⅰ型结构：典范型结构：28将H(z)因式分解：得级联型结构：80将H(z)因式分解：得级联型结构：29将H(z)部分分式分解：得并联型结构：81将H(z)部分分式分解：得并联型结构：30三、FIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样响应h(n)有限长，设N点

FIR数字滤波器的特点：2）系统函数H(z)在处收敛，有限z平面只有零点，全部极点在z=0处（因果系统）3）无输出到输入的反馈，一般为非递归型结构系统函数：z=0处是N-1阶极点有N-1个零点分布于z平面82三、FIR数字滤波器的基本结构1）系统的单位抽样响应h(n83321、横截型（卷积型、直接型）差分方程:841、横截型（卷积型、直接型）差分方程:332、级联型N为偶数时，其中有一个（N-1个零点）将H(z)分解成实系数二阶因式的乘积形式:852、级联型N为偶数时，其中有一个（级联型的特点系数比直接型多，所需的乘法运算多每个基本节控制一对零点，便于控制滤波器的传输零点86级联型的特点系数比直接型多，所需的乘法运算多每个基本节控制一3、频率抽样型N个频率抽样H(k)恢复H(z)的内插公式：873、频率抽样型N个频率抽样H(k)恢复H(z)的内插公式：3子系统：是N节延时单元的梳状滤波器 在单位圆上有N个等间隔角度的零点：频率响应：88子系统：是N节延时单元的梳状滤波器 在单位圆上有N个等单位圆上有一个极点：与第k个零点相抵消，使该频率