六IIR滤波器的设计方法.ppt

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六IIR滤波器的设计方法

将 、 代入双线性映射关系 中, 通过验证证实:S平面虚轴( ) Z平面的单位圆 上,表明整个虚轴是单值的对应于单位圆的一周。因此双线性变换确实消除了脉冲响应不变法所存在的混叠误差,所以它的逼近是良好的。 ⑵ 验证S平面与Z平面是否是因果和稳定的 当 时, ,S左半平面 Z平面的单位圆内 ; 当 时, ,S平面虚轴 Z平面的单位圆上 ; 当 时, ,S右半平面 Z平面的单位圆外 。 通过验证得到以下结论: ⑴ 如果模拟滤波器是稳定的,通过双线性变换后,所得到的数字滤波器也 一定是稳定的。? ⑵ 如果给定模拟滤波器的传递函数 ,变量S与Z之间有简单的代数关 系,只要用代数置换就可以得到数字滤波器的传递函数。 说明 在本教材种,引入变换常数C ,主要是为了使模拟滤波器的频率特性与数字滤波器的频率特性在不同频率处有对应关系,通常C=2/T 。因此,模拟滤波器和数字滤波器特定频率之间的关系有: 2.双线性变换的频率响应 ∵ S平面到 平面虚轴的映射关系为: 模拟域与数字域的频率关系为: 可以看出:模拟域与数字域的频率变换关系不是线性的,而是非线性关系。 双线性变换的映射关系为: 数字滤波器的频响 ①?没有频谱混叠 双线性变换的最大优点是避免了频响的混叠效应,因为S平面的虚轴单值 对应着Z平面单位圆的一周。从它们的频率变换关系 中清楚的看出,当 时,终止在折叠频率 处,故不会有高于折叠频率的分量出现,避免了由频 响产生的混叠失真,但双线性变换虽然避免了频响混 叠,但却是以牺牲相位特性为代价换取的。 ② 和 的关系是非线性变换 如果模拟系统是按时延设计的线性相位的模拟滤波器,经过双线性变换后,数字滤波器将得不到这种线性相位特性,所得到的数字系统的相位不再保持线性相位特性。 3.双线性变换的优缺点 ∵ 数字频率和模拟频率之间的关系是 上式说明,经过 的频率变换后,DF的频响 等于AF的频响 。 [例]:模拟系统中三阶切比雪夫低通滤波器(Chebyshev) 从图中可以看出在靠近截止频率处有频率畸变。 模拟滤波器截止频率为 ,对应的数字域频率为 ,而经过双线性变换后数字域的频率是 , 。可见,经过非线性变换以后,在截止频率处的频率特性发生了畸变。因此,如果要求相位和频率是线性关系,就不能采用双线性变换法。 双线性变换适合分段常数幅频响应的滤波器,而实际中大多数滤波器均为分段常数响应滤波器,如典型的低通、高通、带通、带阻滤波器都是具有分段常数响应的滤波器,所谓分段常数响应的滤波器指在通带内要求逼近一个衰减为0的常数,阻带内要求逼近一个衰减为 的常数,所以我们完全可以采用双线性变换。双线性变换所引起的频率畸变只是出现在数字滤波器靠近截只止频率处。这种畸变完全可以通过预畸变加以校正。 首先对模拟滤波器的临界频率事先加以预畸变,让 ,也就是使 通过双线性变换后正好映射到所需的位置上去。 ③? 设计简单 双线性变换是IIR滤波器设计中使用最普遍、最有成效的一 种设计方法。由于S与Z之间是简单的代数关系,因此传递函数可 以通过代数置换得到。即 正好映射到所需的位置上。 §6.11 原型变换 模拟滤波器已经形成了许多成熟的设计方法,每种滤波器都有一套准确的计算公式和大量的归一化的设计表格和曲线。所以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、带阻滤波器。模拟滤波器的这一套方法可以通过上述讨论的两种变换法而应用于数字滤波器的设计。 下面我们讨论各种滤波器设计的问题: 一.低通滤波器的设计步骤(由模拟低通到数字低通的设计) ① 确定数字滤波器的性能要求(容限),确定各临界频率 的值。 ② 将数字域 映射到模拟域 把DF的性能要求转换为相应的样本的AF的性能要求,得到模拟滤波器的临界频率 ③ 按照临界频率 的要求设计模拟滤波器的传递函数 ④ 通过脉冲响应不变法或者双线性变换,将 [例6.1] 要求用脉冲响应不变法及双线性变换设计一个三阶Butterworth低通 滤波器。设采样周期

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