《数字信号处理》课件第7章.ppt

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图7-8级联型结构定点相乘舍入后的统计模型3)并联型结构并联型结构定点相乘舍入后的统计模型如图7-9所示,四个舍入噪声中,有两个通过1/A1(z)系统,两个通过1/A2(z)系统。因此,输出信号f(n)的方差为图7-9并联型结构定点相乘舍入后的统计模型7.4.2FIR滤波器运算中的有限字长效应7.4.1节中对IIR滤波器的分析方法同样适用于FIR滤波器,和IIR滤波器相比,除频率采样型结构外,FIR滤波器的其他结构均无反馈环节网络,因此不会造成舍入误差的累积,舍入误差的影响比同阶IIR滤波器小。下面以直接型(横截型)结构为例分析FIR滤波器运算中的有限字长效应。一个N-1阶的FIR滤波器的差分方程为(7-57)从式中可以看出,计算第n个时刻点的输出信号,系统需要完成N次乘法运算,就会产生N个舍入误差,分别记作:e0(n),e1(n),…,eN-2(n),eN-1(n),即QR[h(m)x(n-m)]=h(m)x(n-m)+em(n)FIR滤波器的直接型结构的线性噪声模型如图7-10所示。由前面的假设可知,e0(n),e1(n),…,eN-2(n),eN-1(n)是互不相关的白噪声序列。图7-10FIR滤波器的直接型结构的线性噪声模型考虑舍入误差,N-1阶的FIR滤波器的差分方程为(7-58)式中,是系统输出误差,是N次乘法舍入误差的简单叠加。由白噪声的性质可以求得系统输出误差的方差为(7-59)输出误差的方差与量化字长q以及滤波器的阶数N有关,滤波器的阶数越高,滤波器的运算误差越大。换言之,运算精度相同的情况下,滤波器阶数越高需要的量化字长就越长。图7-4量化误差的概率分布(a)截尾误差;(b)舍入误差采用截尾处理时的均值和方差分别为(7-19)(7-20)采用舍入处理时的均值和方差分别为(7-21)(7-22)分析式(7-19)~(7-22)可知:(1)采用截尾处理时误差序列的均值不为零,也就是说误差序列eT(n)中包含直流分量,直流分量的存在会使信号的频谱在频率等于0处存在δ函数,从而影响信号的频谱结构。而采用舍入处理时误差序列的均值为0,不存在直流分量。因此,实际应用中多采用舍入处理的方式。(2)采用截尾处理和舍入处理时误差序列的方差相等,且都为σ2T=σ2R=σ2e,都取决于A/D变换的字长b,字长越长,量化误差越小。用符号σ2x表示信号功率,则量化信噪比为(7-23)对数表示为(7-24)从式(7-24)可以看出,信号功率一定的情况下,字长每增加1bit,量化信噪比约增加6个分贝。【例7-3】假设语音信号量化编码时,选用12bit的A/D,其动态范围为0~5V,求系统量化误差的均方差。解:量化阶距电压:Vq=5×2-b=5×2-12=1.2mV7.2.2量化噪声通过线性系统这一节在不考虑系统实现误差和运算误差的情况下,将系统近似看作是完全理想的,即具有无限精度的线性系统,讨论量化信号通过线性时不变系统的问题。假设量化序列x(n)=x(n)+e(n),线性时不变系统的单位脉冲响应为h(n),由7.2.1节的假设,信号x(n)和量化噪声e(n)相互独立,假设系统为因果系统,则根据线性叠加原理,系统的输出为(7-25)^其中,y(n)是系统对信号x(n)的响应,f(n)是噪声信号e(n)通过线性系统的输出,有(7-26)量化噪声通过线性系统的框图如图7-5所示。图7-5量化噪声通过线性系统(1)若e(n)是舍入误差,则输出噪声信号f(n)的均值为(7-27)由式(7-21)me=0,可求得mf=0。其方差为由前面的假设e(n)为白噪声序列,序列中任意两个值之间不相关。因此E[e(n-m)e(n-k)]=σ2eδ(m-k)则有(7-28)从上式可以看出,量化噪声通过线性时不变系统后,其输出信号的方差依然和量化字长成反比。在量化字长一定的情况下,其输出信号的方差取决于系统单位脉冲响应的能量。假设h(n)是实序列,由帕塞伐定理(7-29)代入式(7-28)可得(7-30)(2)若e(n)是截尾误差,输出噪声信号f(n)的方差仍为式(7-28),其均值为(7-31)显然,输入信号时截尾量化,在输出端也引入了一个直流分量。【例7-4】已知IIR滤波器的系统函数为假设其输入信号x(n)为8位A/D变换器(b=7)的输出,求滤波器输出端的量化噪声功率。

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