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第16讲滤波器设计初步
第四章滤波器设计 §4.1滤波器概述 1. 基本概念 根据有用信号与噪声不同的特性,抑制不需要的噪声或干扰,提取出有用信号的过程称为滤波。 信号处理最广泛的应用是滤波。 滤波器是以特定方式改变信号的频率特性,而实现信号变换的系统。 根据滤波器所处理的信号不同,可以分为模拟滤波器与数字滤波器,本章讨论数字滤波器的一般设计问题。 数字滤波,是指输入、输出均为离散时间信号,通过一定运算关系改变输入信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的算法。 相对模拟滤波器,数字滤波器优点如下: 精度高、稳定性高、灵活性高并能进行多维处理。 数字滤波器的局限性: 速度、频率不够高,复杂情况下尚不满足实时性要求,不适宜处理很高频率的信号。 简而言之,数字滤波器只不过是由一系列滤波器系数定义的方程,这些方程是数字滤波程序中算法的基础,滤波程序接收并处理原始数据,输出滤波后数据。 §4.2数字滤波器的幅频特性 滤波器的狭义概念: 滤波器是一种选频装置,可以使信号中特定频率成分通过,而极大地衰减其他频率成分. §4.2.4传递函数、差分方程与滤波器 模拟滤波器的一般设计方法 模拟滤波器的设计一般包括两个方面: 首先是根据设计的技术指标即滤波器的幅频特性要求,确定滤波器的传递函数H ( s ), 其次是设计实际网络(通常为电网络)实现这一传递函数 数字滤波器 数字滤波器按照不同的分类方法,有许多种类,但总起来可以分成两大类。一类称为经典滤波器,另一类是所谓的现代滤波器,例如维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等最佳滤波器。这些滤波器可按照随机信号内部的一些统计分布规律,从干扰中最佳地提取信号。 为了能用数字技术研究、分析和处理连续时间系统,要求用离散系统来模仿连续系统,从数学的角度来考虑,就是要建立离散系统的差分方程,模仿连续系统微分方程,并使差分方程成为微分方程的数值近似解。 数字滤波的实现与数字滤波器的设计 数字滤波的实现:求解差分方程的输出响应 数字滤波器设计一般包括三个基本步骤: (1)给出技术指标; (2)由技术指标确定数字滤波器的系统函数H(z),并实现频率特性的要求; (3)通过算法实现H(z)或求解y(t)——差分方程。 已知传递函数求差分方程 * * (a)低通滤波器 (b)高通滤波器 (c) 带通滤波器 (d) 带阻滤波器 滤波器分类(根据滤波器的选频作用分) ?2称为低通滤波器的上截止频率 ?1、?2分别称为带通滤波器的下、上截止频率 通带 通带 通带 通带 通带 阻带 阻带 阻带 阻带 阻带 理想 滤波器 ?1称为高通滤波器的下截止频率 4.2.1理想滤波器 -3dB 在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限,存在一个过渡带。 4.2.2实际滤波器的幅频特性 1) 截止频率: 幅频特性值等于 (即-3dB)所对应的频率 2)带宽B:上下两截频间的频率 范围称为带宽 3)纹波幅度d :波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。 恒带宽滤波器 B=fc2-fc1 恒带宽比滤波器 B=fc1(2n-1) 5) 品质因数Q: 中心频率和带宽之比称为品质因数 4)中心频率f0: (c) 带通滤波器 (d) 带阻滤波器 通带 通带 阻带 通带 阻带 阻带 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真,阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。 H(2π? )=A(2π?)ejφ(2π?) A(2π?)=A0=const φ(2π?)=-2π?t0 §4.2.3理想滤波器的频率响应 物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。 给理想滤波器一个脉冲激励,从图中可以看出,在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前,即在t<0时,滤波器就已经有响应了。 h(t) δ(t) RC无源滤波器 在测试系统中,常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单,抗干扰强,有较好的低频性能,并且选用标准阻容元件。 1) 一阶RC低通滤波器 令τ=RC,称为时间常数 傅立叶变换,频响函数: 当??1/2πRC时, φ(?)-?相频特性近似于一条通过原点的直线 当?=1/2πRC时, , ?c2=1/2πRC 上截止频率: |H(jω)|= A(?)≈1, A(?) =1/ 令RC=τ代入,作傅立叶变换,得频响函数 当?=1/2πτ,即 ?=1/2πRC 时, 当??1/2πRC时, 下截止频率: ?c1=1/2πRC A(?) =1/ A(?) ≈1,φ(?)=0 2) 一阶RC高通滤波器 3) 一阶RC
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