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IIR数字滤波器的有限字长效应分析综述
在数字滤波器中,由于都是采用二进制的编码方式,数据最终也是储存在有限字长的寄存器当中。因此,在实际的应用当中,必须考虑到信号和系数的输入数值在存储前要采用四舍五入或者截尾等方式进行量化,使其成为有限字长。而这将改变滤波器的频率特性,甚至还会导致滤波器的不稳定。这种因为量化所带来的误差主要分为三类[10]:
输入量化误差
系数量化误差
运算量化误差
1.1输入量化误差
由于数字滤波器都是采用二进制输入信号,所以模拟滤波器采用的连续输入信号必须经过模数(A/D)转换器进行采样和量化。
原则上,我们可以把转化视为两步:第一步采样,对模拟信号xa(t)以时间间隔T进行采集,产生序列xn=xat|t=nT
分析输入量化误差的主要目的在于选取合适的字长,从而满足设计所需的信噪比。
我们设信号的功率为σx2,噪声的功率为
SNR=σ
其中b表示字长。
有关于噪声功率σe
实际上,常用分贝表示(取对数),则为:
SNR=10lg12+20blg2+10lgσ
由式子3-2可以看出,信号的功率越大,则信噪比会越大;随着字长每增加1位,信噪比提高大约6dB。
此外,当输入信号超过A/D转换器的动态允许范围时,必须对输入信号的幅值进行压缩,也就是说对Axn(0A1)进行量化处理,而Axn的功率为
SNR=10lg
由于A在0~1之间,因此压缩信号幅度,会损失信噪比。
1.2系数量化误差
按照理论设计出来的数字滤波器,其系统函数被认为是无限精确的,因此系统函数里的各项系数总是被认为准确无误的。
而在实际应用中,不存在无限精度的字长,所以实际设计需要的系统函数,其系数总是与理论值存在偏差,这样实际做出来的滤波器的零极点会与理论设计所得的零极点存在偏差。偏差值过大还会导致极点偏移到单位圆外,使得滤波器系统不稳定。这就是实际应用中的系数量化误差。
由于极点位置的变化对系统的稳定性影响更大,所以本章节只讨论系数量化误差对极点的影响。设理论设计的系统函数为:
Hz
而实际的系统函数则为:
Hz
3-5式中,bi=bi+?bi
Az
再假设系数量化后的系统函数Hz的极点为pk=pk+?p
?p
由式3-7不难看出,?pk?ai的大小决定着?ai对?pk的影响程度,?pk?
?A(z)?
?p
联立式3-6和式3-8,可以解得:
?p
式3-9表示了第k个极点pk对H(z)的分母多项式中的第i个系数a
因为式3-9中的每一个因子(pk?pm)都是从极点p
如果矢量越长,表示极点之间距离越远,分母就越大,所以极点位置灵敏度就越低;如果矢量越短,表示极点之间的距离越近,分母就越小,那么极点位置灵敏度就越高。
在相同的系数量化误差水平下,极点的偏移受极点位置灵敏度的影响最大。极点位置灵敏度越高,系数量化误差对极点偏移造成的影响就越大。
1.3运算量化误差
运算量化误差分为:
1.乘法运算量化误差(又称作舍入误差)。
2.加法运算误差(又称作溢出误差)。
由于这两种误差的运算分析过程较为繁琐,故在本文中直接给出结论。
乘法量化误差受结构的影响最大,其中直接型结构输出误差最大,其次是级联型,并联型结构误差最小。因为对于直接型结构,每一步的运算误差都要经过系统中所有的反馈回路,这导致误差会不断积累,因此输出时误差最大。对于级联型结构,每个误差只需要通过它后面的反馈环节,故积累的误差比直接型的少。而对于并联型结构,每个误差只经过自己所处的子系统的反馈环节,因此积累的误差最少。
此外,级联型的误差效应还与它的排列顺序密切相关,由于级联型的排列顺序不唯一,所以误差效应也有所不同。
综上所述,直接型无论哪种结构误差都是最大的,所以在高阶滤波器设计时应避免采用。
对于加法运算量化误差,假设x[n]是滤波器的输入,ykn表示第k个结点上的输出,?kn
y
若xn是有界的,满足|x
|y
为了防止溢出,要求|y
xmax
也就是说,只要输入信号满足上述3-10的要求,即使在最坏的情况下也能防止溢出。而对于实际应用来说,输入信号很难取到最值一般取稍大于上述范围即可。即使出现溢出,亦可采用把输出钳制在最大值的办法进行近似处理。
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