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dsp4_数字滤波器基本结构

* 第4章 数字滤波器基本结构 4.1 数字滤波器的基本结构表示方法 4.2 无限长单位冲激响应滤波器的基本结构和特点 4.3 有限长单位冲激响应滤波器的基本结构和特点 4.4 数字滤波器的格型结构 4.1 数字滤波器的基本结构表示方法 系统的传递函数: IIR系统:上式中的分母多项式有一项系数 为零,则在 有限z平面就会出现极点,这个系统是IIR系统。 FIR系统:如果全部的 都等于零,系统没有极点,这个 系统是IIR系统。 由系统函数可得到输入与输出的常系数线性差分方程为: 这说明实现滤波从运算上看,只需三种运算: 加法、单位 延迟、乘常数。 分别用方框图和信号流图表示如下: + 方框图表示法 相加 单位延迟 乘系数 信号流图表示法 例4-1 某二阶数字滤波器的常系数差分方程为: 试画出该滤波器的结构方框图和信号流图 解: + + 方框图表示法 信号流图表示法 4.2 无限长单位冲激响应滤波器的基本结构和特点 IIR滤波器的基本结构有直接I型、直接II型、级联型和并 联型。 1. 直接I型 由于IIR数字滤波器的有理函数为: 相应的常系数差分方程为: 实现N阶差分方程的直接I型结构 2.直接II型 将直接I型的零点 和极点的级联次序互换 直接II型 3. 级联型 先将系统函数按零、极点进行因式分解 其中,pk为实零点,ck为实极点;qk,qk*表示复共轭零点,dk ,dk*表示复共轭极点,M=M1+2M2,N=N1+2N2 再将共轭因子展开,构成实系数二阶因子, 则得 最后,将两个一阶因子组合成二阶因子(或将一阶因子看成是二阶因子的退化形式),则有 当(M=N=2)时 级联型的二阶基本结构 例4-3 已知描述系统的差分方程如下,试画出该系统的级 联型结构。 解: -1.6441 -1.5 -1 0.1441 -2.737 4. 并联型 将H(z)展成部分分式形式: 其中, 均为实数, 与 复共轭 当MN时,不包含 项;M=N时,该项为G。 并联结构 例4-5 试画出系统 的级联和并联结构。 解:系统函数可写成 2 1 -3 (a) 级联 2 -2 4 (b) 并联 4.3 有限长单位冲激响应滤波器的基本结构和特点 有限长单位冲激滤波器有以下特点: 系统的单位冲激响应h(n)在有限个n值处不为零。 系统函数H(z)在 处收敛,极点全部在z=0处,系 统始终稳定。 (3)结构上主要是非递归结构,没有输出到输入的反馈,但 在有些结构中也有反馈的递归部分。 FIR滤波器实现的基本结构有横街型和级联型结构。 1. 横截型(卷积型、直接型) 根据系统的函数的定义,单位冲激响应h(n)长度为N的FIR 滤波器的系统函数为 由上式得FIR系统输入输出关系的差分方程为: h(0) h(1) h(2) h(N-2) h(N-1) (2)级联型 将H(z)分解为实系数二阶因子的乘积形式 说明:[N/2]表示取N/2的整数部分,如 N为偶数时,N-1为奇数,这时因为有奇数个根,所以 中有一个为零。 FIR滤波器的级联结构 例4-6 下图所示为某系统的结构图,试写该系统的系统函数。 0.5 2 1.5 0.5 4.4 数字滤波器的格型结构 格型结构的优点: (1)模块化结构便于实现高速并行处理。 (2)m阶格型滤波器可以产生1阶到m阶的m个横向滤波器的 输出性能。 (3)对有限字长的舍入误差不灵敏。 4.4.1 全零点FIR系统的格型结构 全零点FIR系统的格型滤波器结构图 全零点FIR系统的格型结构单元如下图所示 因此,格型基本单元的输入和输出之间的关系为: 并且有: 若定义 分别是由输入端到第m个基本传输单元 上端和下端对应的系统函数,即: 式中 称为m阶FIR滤波器的第i个单位冲激响应系数。 对上式两边作z变换 将上边两式分别除以 和 得 这是格型结构中从低阶到高一阶的系统函数的递推关系。 2. 单位冲激响应h(n)与反射系数的关系 第m-1阶基本传输单元上端对应的系统函数为: 另外,可得两组递推关系: 其中,i=1,2,..,(m-1),m=2,3,…,M 若假设M阶FIR滤波器的单位冲激响应h(n)中,h(0)=1,则 系统函数 可写成: 例4-7 一个三阶FIR滤波器的系统函数为 试求其格型结构。 解:由系统函数的第3阶的相关系数 求得第2阶的相关系数

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