数字滤波器设计步骤

1、数字信号处理数字滤波器的设计学院 计算机与电子信息学院 专业 电子信息科学与技术 班级 电子15-2 班姓名 学号 指导教师 刘利民 数字滤波器的设计一、模拟低通滤波器的设计方法1、Butterworth滤波器设计步骤：.确定阶次N 已知c、s和As求Butterworth DF阶数N 由： 求出N： 已知c、s和=p()的衰减Ap 求Butterworth DF阶数N 已知p、s和=p的衰减Ap 和As 求Butterworth DF阶数N 由 .用阶次N确定 根据公式： 在左半平面的极点即为的极点，因而 ，2、切比雪夫低通滤波器设计步骤：.确定技术指标 归一化： .根据技术指标求出滤波器阶

2、数N及： 其中 .求出归一化系统函数其中极点由下式求出：或者由和S直接查表得.去归一化： 二、数字低通滤波器的设计步骤： 1、 确定数字低通滤波器的技术指标：通带截止频率、通带最大衰减系数、阻带截止频率、阻带最小衰减系数。2、 将数字低通滤波器的技术指标转换成模拟低通滤波器的技术指标。巴特沃斯：切比雪夫： 其中 3、把模拟滤波器变换成数字滤波器，即把模拟滤波器的系数映射成数字滤波器的系统函数。实现系统传递函数s域至z域映射有脉冲响应不变法和双线性映射两种方法。（1）脉冲响应不变法。按照技术要求设计一个模拟低通滤波器，得到模拟低通滤波器的传输函数转换成数字低通滤波器的系统函数H(z)。设模拟滤波

3、器的传输函数为，相应的单位冲激响应是，=LT，LT.代表拉氏变换，对进行等间隔采样，采样间隔为T，得到，将h(n)= 作为数字滤波器的单位取样响应，那么数字滤波器的系统函数H(z)便是h(n)的Z变换。因此脉冲响应不变法是一种时域上的转换方法，它是h(n)在采样点上等于。设模拟滤波器只有单阶极点，且分母多项式的阶次高于分子多项式的阶次，将用部分分式表示： ，式中为的单阶极点。将逆拉氏变换得到： ，式中u(t)是单位阶跃函数。对进行等间隔采样，采样间隔为T,得到： 对上式进行Z变换，得到数字滤波器的系统函数H(z)： ， 经过一系列变换得到： （2）双线性变换法这种变换方法，采用非线性频率压缩方

4、法，将整个频率轴上的频率范围压缩到/T之间，再用转换到z平面上。设Ha（s），s=j，经过非线性频率压缩后用Ha（s1），=j1表示，这里用正切变换实现频率压缩： 式中T仍是采样间隔，当1从-/T经过0变化到/T时，则由-经过0变化到+，实现了s平面上整个虚轴完全压缩到平面上虚轴的/T之间的转换。这样便有 再通过 转换到z平面上，得到： 令 ，有 两种方法比较：脉冲响应不变法的优点：1，模拟频率到数字频率的转换时线性的；2，数字滤波器单位脉冲响应的数字表示近似原型的模拟滤波器单位脉冲响应，因此时域特性逼近好。缺点：会产生频谱混叠现象，只适合带限滤波器双线性变换法优点：克服多值映射得关系，可以消

5、除频率的混叠缺点：时域到频域的变换是非线性的，在高频处有较大的失真。 三、数字高通滤波器的设计步骤： 数字高通滤波器的技术指标为：通带截止频率p 阻带截止频率s 通带衰减频率P 阻带衰减频率 s 预畸变处理，将数字高通指标转换为模拟低通指标 确定阶数N 由 （可由模拟低通滤波器设计方法可得） 归一化及去归一化 查表令s=s/ 归一化模拟低通圆型系统函数GP=1P2+2P+1 低通向高通转化 令s1=1/s 由频率变换公式 Has=G|p=xPPhS 即可得 滤波器数字化 令 利用双线性变换化 Hz=Has|s=1-Z-11+Z-1 带入数据可得数字高通H(z)数字高通不能采用脉冲响应不变法原因

6、是：脉冲响应不变法有频谱周期延拓效应，因此只能用于带限的频响特性，如衰减特性很好的低通或带通。而高频衰减越大，频响的混淆效应越小，至于高通滤波器,由于它们在高频部分不衰减，因此将完全混淆在低频响应中。四、数字带通滤波器的设计：步骤：（1） 确定性能指标: 在设计带通滤波器之前,首先根据工程实际的需要 确定滤波器的技术指标:通带截止频率wc1,wc2、阻带截止频率wr1，wr2、阻带最小衰减s通带最大衰减p (2) 对带通数字滤波器H(z)的数字边界频率预畸变=2T*tanw2得到带通模拟滤波器H(s)的边界频率主要是通带截止频率p1,p2;阻带截止频率s1，s2的转换。对双线性变换法一般T=2

7、s 通带截止频率wc1=(2/T)*tan(wp1/2) 、wc2=(2/T)*tan(wp2/2) 阻带截止频率wr1=(2/T)*tan(ws1/2)、wr2=(2/T)*tan(ws2/2) 阻带最小衰减s通带最大衰减p (3)低通到带通频率变换=2-02B*将模拟带通滤波器指标转换为模拟低通滤波器指标。 B=wc2-wc1normwr1=(wr12)-(w02)/(B*wr1) normwr2=(wr22)-(w02)/(B*wr2) normwc1=(wc12)-(w02)/(B*wc1) normwc2=(wc22)-(w02)/(B*wc2)模拟低通滤波器指标：normwc，no

8、rmwr，p，s (4)设计模拟低通原型滤波器。查表得到归一化低通传输函数G(p)：GP=1P2+2P+1用模拟低通滤波器设计方法（由巴特沃斯设计步骤或切比雪夫设计步骤）得到模拟低通滤波器的传输函数Ha(s)(5)模拟低通滤波器转化为模拟带通滤波器。(6)利用双线性变换法将模拟带通滤波器Ha(s)转换成数字带通滤波器H(z)由 得到 Hz=Has|s=1-Z-11+Z-1也可以用脉冲响应不变法： 两种方法比较比较：脉冲响应不变法数字滤波器单位脉冲响应的数字表示近似原型的模拟滤波器单位脉冲响应，因此时域特性逼近好。但会产生频谱混叠现象，只适合带限滤波器双线性变换法可以克服多值映射得关系，可以消除

9、频率的混叠但时域到频域的变换是非线性的，在高频处有较大的失真。 五、数字带阻滤波器的设计：步骤：（1） 确定性能指标:通带截止频率wc1,wc2、阻带截止频率wr1，wr2、阻带最小衰减s通带最大衰减p (2) 对带通数字滤波器H(z)的数字边界频率预畸变=2T*tanw2主要是通带截止频率p1,p2;阻带截止频率s1，s2的转换。对双线性变换法一般T=2s 通带截止频率wc1=(2/T)*tan(wp1/2) 、wc2=(2/T)*tan(wp2/2) 阻带截止频率wr1=(2/T)*tan(ws1/2)、wr2=(2/T)*tan(ws2/2) 阻带最小衰减s 通带最大衰减p （由模拟低通

10、滤波器设计方法可得）模拟低通滤波器确定模拟带阻滤波器由模拟低通到模拟带阻的变换 这一模拟低通到带阻的变换关系为 s=02PP2+02式中s为模拟低通原型拉普拉斯变量(s=+j)，为模拟带阻的拉普拉斯变 量(= +j )，0是模拟带阻滤波器的几何中心频率。令=j可得 S=j0202-2 故平面的虚轴与s平面的虚轴相对应，代入s=j，消去j，可得=n0202-2低通的阻带映像到带阻的阻带C=02102-12-C=02202-22化简得到：0=12=2-1=13C在H()中的变换关系，可得到带阻滤波器系统函数HBR p=HLP s |S=02pp2+02由模拟带阻到数字带阻的变换 仍利用双线性变换P=C1+z-11-z-1模拟低通原型滤波器的平面变换成数字带阻滤波器的平面的表达式 可得 S=D11-Z-11-E1Z-1+Z-2从模拟低通系统函数H()，转换