数字信号处理第五章

第五章学习目标第五章学习目标理解数字滤波器结构的表示方法掌握IIR滤波器的基本结构掌握FIR滤波器的直接型、级联型、线性相位结构，理解频率抽样型结构了解数字滤波器的格型结构第五章第五章 数字滤波器的基本结构数字滤波器的基本结构 一、数字滤波器结构的表示方法 数字滤波器的系统函数：01()()()1MkkkNkkkb zY zH zX za z10()()()NMkkkky na y nkb x nk常系数线性差分方程:aa1z1z10()()()NMkkkky na y nkb x nk加法器常数乘法器单位延时基本运算单元方框图流图例：二阶数字滤波器120()(1)(2)()y na y na y nb x n方框图结构流图结构流图结构节点 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 传输系数研究DF实现结构意义1.滤波器的基本特性（如有限长冲激响应FIR与无限长冲激响应IIR）决定了结构上有不同的特点。2.不同结构所需的存储单元及乘法次数不同，前者影响复杂性，后者影响运算速度。3.有限精度（有限字长）实现情况下，不同运算结构的误差及稳定性不同。4.好的滤波器结构应该易于控制滤波器性能，适合于模块化实现，便于时分复用。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0z 01()()()1MkkkNkkkb zY zH zX za z系统函数：10()()()NMkkkky na y nkb x nk差分方程：IIR数字滤波器的基本结构：直接型 直接型（典范型）级联型 并联型1、直接型差分方程:10()()()NMkkkky na y nkb x nk需N+M个延时单元1、直接型Niiinya0)(方程看出：y(n)由两部分组成：第一部分 是一个对输入x(n)的M节延时链结构。即每个延时抽头后加权相加，即是一个横向网络。第二部分 是一个N节延时链结构网络。不过它是对y(n)延时，因而是个反馈网络。Miiinxb0)(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。从上面直接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。直接直接II型原理型原理2、直接型（典范型）(2)直接II型的结构流图过程1-对调x(n)b0b1b2Z-1Z-1y(n)a1a2Z-1Z-1b M+1bMZ-1Z-1a N-1aNZ-1Z-1第一部分第二部分对调x(n)y(n)a1a2Z-1Z-1a N-1aNZ-1Z-1b0b1b2Z-1Z-1b M+1bMZ-1Z-1对调(3)直接II型的结构流图过程2-合并x(n)a1a2Z-1Z-1a N-1aNZ-1Z-1b0b1b2Z-1Z-1b M+1bMZ-1Z-1合并x(n)a1a2Z-1Z-1a N-1aNZ-1Z-1b0b1b2b M+1bMy(n)y(n)由于对调后前后两路都有一条内容完全相同的延时链，可以合并为一条即可。这就是直接II型的结构流图。(4)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。直接型的共同缺点：kakb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3、级联型将系统函数按零极点因式分解:121211*101111*1111(1)(1)(1)()1(1)(1)(1)MMMkkkkkkkkNNNkkkkkkkkb zp zq zq zH zAa zc zd zd zA为常数*,kkkkq qd d和分别为复共轭零、极点kkpc和 分别为实数零、极点122MMM122NNN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121212121()()1kkkkkkkzzH zAAHzzz20k当零点为奇数时：有一个20k当极点为奇数时：有一个12NMN当时，共有节121212121()()1kkkkkkkzzH zAAHzzz1!2N 各二阶基本节的排列次序有 种1!2N 当M=N时，二阶因子配对方式有 种级联型的特点：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1k2k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1k2k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4、并联型将因式分解的H(z)展成部分分式：111220100121112()()1NNkkkkkkkzH zGGHzzz210kk当N为奇数时，有一个()MN1210101121112()11NNkkkkkkkkAzH zGc zzz122NNN组合成实系数二阶多项式：111220100121112()()1NNkkkkkkkzH zGGHzzz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1k2k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。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。()8()4(1)11(2)2(3)y nx nx nx nx n531(1)(2)(3)448y ny ny n 123123841125311448zzzH zzzz解：对差分方程两边取z变换，得系统函数：123123841125311448zzzH zzzz得直接型结构：典范型结构：11211220.37941.245.264111142zzzH zzzz1121128 10.1910.311.32111142zzzzzz将H(z)因式分解：得级联型结构：11128162016111142zH zzzz将H(z)部分分式分解：得并联型结构：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：0z 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10()()NnnH zh n z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10()()()NMkkkky na y nkb x nk01()()()1MkkkNkkkb zY zH zX za z10()()NnnH zh n z10()()()Nmy nh m x nm1、横截型（卷积型、直接型）差分方程:10()()()Nmy nh m x nm2、级联型/211201201()()()NNnkkknkH zh n zzzN为偶数时，其中有一个 （N-1个零点）20k将H(z)分解成实系数二阶因式的乘积形式: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3、频率抽样型1101()()(1)1NNkkNH kH zzNWz101()()NckkHzHzNN个频率抽样H(k)恢复H(z)的内插公式：2jkNkze0,1,.,1kN()1jj NcH ee 22sin2NjNje()1NcHzz 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：222NNNjjjeee2jkkNkNzWe单位圆上有一个极点：2kN与第k个零点相抵消，使该频率 处的频率响应等于H(k)1()()1kkNH kHzWz谐振器子系统：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 修正频率抽样结构1101()()(1)1NNNrkkNH kH zr zNrWz2jkNkzre极点：0,1,.,1kN11rr且将零极点移至半径为r的圆上：为使系数为实数，将共轭根合并*N kkzz()*()N kkkNNWWW由对称性：*()()()NNH kHNkRk又h(n)为实数，则1()1()()()11kkN kNNH kH NkHzrWzrWz*1*1()()11()kkNNH kHkrWzr Wz101122212 cos()kkzzrkr zN11,2,.,21,2,.,12NkNNkN为奇数为偶数02Re()kH k其中：12 Re()kkNrH k W 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：当N为偶数时，还有一对实数根01(0)()1HHzrz/21(/2)()1NH NHzrzzr k=0,N/2处：/2 10/211()1()()()NNNNkkH zr zHzHzHzNN为奇数时(1)/2011()1()()NNNkkH zr zHzHzN只有一个实数根在 k=0处：z=r4、快速卷积结构5、线性相位FIR滤波器的结构01nNFIR滤波器单位抽样响应h(n)为实数，且满足：()(1)h nh Nn 偶对称：()(1)h nh Nn 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。N为奇数时10()()NnnH zh n z11112210121()()2NNNnnNnnNh n zhzh n z1112(1)201()2NNnNnnNh nzzhz 1nNm 令h(n)偶对称，取“+”102Nhh(n)奇对称，取“”，且N为偶数时10()()NnnH zh n z11202()()NNnnNnnh n zh n z12(1)0()NnNnnh nzz