数字信号处理第6篇.ppt

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此外,对于高通、带阻滤波器,由于脉冲响应不变法不能直接采用,或者只能在加了保护滤波器以后使用,因此,脉冲响应不变法使用直接频率变换要有许多特殊考虑,故对于脉冲响应不变法来说,采用第一种方案有时更方便一些。 图6-13 双线性变换法的频率变换关系 但是双线性变换的这个特点是靠频率的严重非线性关系而得到的。 由于这种频率之间的非线性变换关系,就产生了新的问题。首先,一个线性相位的模拟滤波器经双线性变换后得到非线性相位的数字滤波器,不再保持原有的线性相位了; 其次,这种非线性关系要求模拟滤波器的幅频响应必须是分段常数型的,即某一频率段的幅频响应近似等于某一常数(这正是一般典型的低通、高通、带通、带阻型滤波器的响应特性),不然变换所产生的数字滤波器幅频响应相对于原模拟滤波器的幅频响应会有畸变。 图 6-14 双线性变换法幅度和相位特性的非线性映射 对于分段常数的滤波器,双线性变换后,仍得到幅频特性为分段常数的滤波器,但是各个分段边缘的临界频率点产生了畸变, 这种频率的畸变,可以通过频率的预畸来加以校正。也就是将临界模拟频率事先加以畸变, 然后经变换后正好映射到所需要的数字频率上。 6.7.4 模拟滤波器的数字化方法 双线性变换法比起脉冲响应不变法来,在设计和运算上也比较直接和简单。由于双线性变换法中,s到z之间的变换是简单的代数关系,所以可以直接将式(5-43)代入到模拟系统传递函数, 得到数字滤波器的系统函数, 即 频率响应也可用直接代换的方法得到 (6-47) (6-48) 为简化设计,一方面, 可以先将模拟系统函数分解成并联的子系统函数(子系统函数相加)或级联的子系统函数(子系统函数相乘),使每个子系统函数都变成低阶的,然后再对每个子系统函数分别采用双线性变换。另一方面,可用表格的方法来完成双线性变换设计,即预先求出双线性变换法中离散系统函数的系数与模拟系统函数的系数之间的关系式,并列成表格,便可利用表格进行设计了。 设模拟系统函数的表达式为 (6-49) 应用式(5-47)式 得 (6-50) 表 6-2 双线性变换法中Ha(s)的系数与H(z)的系数之间的关系 图 6-15 双线性变换时频率的预畸变 (1) 如果给出的是待设计的带通滤波器的数字域转折频率(通、 阻带截止频率)ω1、ω2、ω3、ω4及采样频率(1/T),则直接利用式(6-46) 计算出相应的模拟滤波器的转折频率Ω1、Ω2、Ω3和Ω4。这样得到的模拟滤波器Ha(s)的转折频率Ω1、Ω2、Ω3和Ω4,经双线性变换后就映射到数字滤波器H(z)的原转折频率ω1、ω2、ω3和ω4。 如果给出的是待设计的带通滤波器的模拟域转折频率(通、 阻带截止频率)f1、f2、f3、f4和采样频率(1/T),则需要进行频率预畸变。  首先,利用下式计算数字滤波器的转折频率(通、阻带截止频率)ω1、ω2、ω3 和ω4。 ω=2πfT (6-51) 再利用式(5-46) 对频率预畸变,得到预畸变后的模拟滤波器的转折频率Ω1、Ω2、 Ω3和Ω4。这样得到的模拟滤波器Ha(s)的转折频率Ω1、Ω2、Ω3和Ω4, 经双线性变换后映射到数字滤波器H(z)的转折频率ω1、ω2、 ω3、ω4,并且能保证数字域频率ω1、ω2、ω3、ω4与给定的模拟域转折频率f1、f2、f3、f4成线性关系。 (2) 按Ω1、Ω2、Ω3和Ω4等指标设计模拟滤波器的系统函数Ha(s)。 (3)将 代入Ha(s),得H(z)为 其频率响应为 上述这些步骤比用脉冲响应不变法设计滤波器要简便得多。 需要特别强调的是,若模拟滤波器Ha(s)为低通滤波器,应用 变换得到的数字滤波器H(z)也是低通滤波器; 若Ha(s)为高通滤波器,应用 变换得到的数字滤波器H(z)也是高通滤波器; 若为带通、带阻滤波器也是如此。 在IIR数字滤波器的设计中,当强调模仿滤波器的瞬态响应时,采用脉冲响应不变法较好; 而在其余情况下,大多采用双线性变换法。 例 6-4 设计一个一阶数字低通滤波器,3 dB截止频率为ωc=0.25π,将双线性变换应用于模拟巴特沃思滤波器。 解 数字低通滤波器的截止频率为ωc=0.25π,相应的巴特沃思模拟滤波器的 3 dB截止频率是Ωc,就有 模拟滤波器的系统函数为 将双线性变换应用于模拟滤波器,有 由上题可知,T不参与

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