Chapter5數(shù)字信號(hào)處理

1、理解數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)的表示方法掌握IIR濾波器的基本結(jié)構(gòu)掌握FIR濾波器的直接型、級(jí)聯(lián)型、線性相位結(jié)構(gòu)，理解頻率抽樣型結(jié)構(gòu)P220: 1234678 (1) 數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)：01( )( )( )1MkkkNkkkb zY zH zX za z10( )()()NMkkkky na y nkb x nk常系數(shù)線性差分方程:aa1z1z10( )()()NMkkkky na y nkb x nk加法器常數(shù)乘法器單位延時(shí)基本運(yùn)算單元方框圖流圖例：二階數(shù)字濾波器120( )(1)(2)( )y na y na y nb x n方框圖結(jié)構(gòu)流圖結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn) 支路 阱節(jié)點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 分支節(jié)點(diǎn) 輸入

2、支路 相加器節(jié)點(diǎn)的值=所有輸入支路的值之和 輸出支路支路的值=支路起點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)值 傳輸系數(shù)1）系統(tǒng)的單位抽樣相應(yīng)h(n)無限長 IIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)：3）存在輸出到輸入的反饋，遞歸型結(jié)構(gòu)2）系統(tǒng)函數(shù)H(z)在有限z平面（ ）上有極點(diǎn)存在0z 01( )( )( )1MkkkNkkkb zY zH zX za z系統(tǒng)函數(shù)： 10( )()()NMkkkky na y nkb x nk差分方程： IIR數(shù)字濾波器的基本結(jié)構(gòu)： 直接型 直接型（典范型） 級(jí)聯(lián)型 并聯(lián)型差分方程:10( )()()NMkkkky na y nkb x nk需 N+M 個(gè)延時(shí)單元NM只需實(shí)現(xiàn)N階濾波器所需的最少的N個(gè)延

3、時(shí)單元，故稱典范型。（ ）kakb 系數(shù) ， 對(duì)濾波器的性能控制作用不明顯 極點(diǎn)對(duì)系數(shù)的變化過于靈敏，易出現(xiàn)不穩(wěn)定或較大誤差 運(yùn)算的累積誤差較大將系統(tǒng)函數(shù)按零極點(diǎn)因式分解:121211*101111*1111(1)(1)(1)( )1(1)(1)(1)MMMkkkkkkkkNNNkkkkkkkkb zp zq zq zH zAa zc zd zd zA為常數(shù)*,kkkkq qd d和分別為復(fù)共軛零、極點(diǎn)kkpc和 分別為實(shí)數(shù)零、極點(diǎn)122MMM122NNN將共軛成對(duì)的復(fù)數(shù)組合成二階多項(xiàng)式，系數(shù)即為實(shí)數(shù)。為采用相同結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)絡(luò)，也將兩個(gè)實(shí)零點(diǎn)/極點(diǎn)組合成二階多項(xiàng)式121212121( )( )1

4、kkkkkkkzzH zAAHzzz20k當(dāng)零點(diǎn)為奇數(shù)時(shí)： 有一個(gè)20k當(dāng)極點(diǎn)為奇數(shù)時(shí)： 有一個(gè)12NMN當(dāng)時(shí)，共有節(jié)121212121( )( )1kkkkkkkzzH zAAHzzz1!2N 各二階基本節(jié)的排列次序有 種1!2N 當(dāng)M=N時(shí)，二階因子配對(duì)方式有 種 調(diào)整系數(shù) ， 能單獨(dú)調(diào)整濾波器的第k對(duì)零點(diǎn)，而不影響其它零極點(diǎn)1k2k 運(yùn)算的累積誤差較小 具有最少的存儲(chǔ)器便于調(diào)整濾波器頻率響應(yīng)性能1k2k調(diào)整系數(shù) ， 能單獨(dú)調(diào)整濾波器的第k對(duì)極點(diǎn)，而不影響其它零極點(diǎn)將因式分解的H(z)展成部分分式：111220100121112( )( )1NNkkkkkkkzH zGGHzzz210kk

5、當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，有一個(gè)()MN1210101121112( )11NNkkkkkkkkAzH zGc zzz122NNN組合成實(shí)系數(shù)二階多項(xiàng)式：111220100121112( )( )1NNkkkkkkkzH zGGHzzz 通過調(diào)整系數(shù) ， 可單獨(dú)調(diào)整一對(duì)極點(diǎn)位置，但不能單獨(dú)調(diào)整零點(diǎn)位置1k2k 各并聯(lián)基本節(jié)的誤差互相不影響，故運(yùn)算誤差最小 可同時(shí)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，故運(yùn)算速度最高原網(wǎng)絡(luò)中所有支路方向倒轉(zhuǎn)，并將輸入x(n)和輸出y(n)相互交換，則其系統(tǒng)函數(shù)H(z)不改變。例：設(shè)IIR數(shù)字濾波器差分方程為：試用四種基本結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)此差分方程。( )8 ( )4 (1)11 (2)2 (3)y n

6、x nx nx nx n531(1)(2)(3)448y ny ny n 123123841125311448zzzH zzzz解：對(duì)差分方程兩邊取z變換，得系統(tǒng)函數(shù)： 123123841125311448zzzH zzzz得直接型結(jié)構(gòu)：典范型結(jié)構(gòu)： 11211220.37941.245.264111142zzzH zzzz1121128 10.1910.311.32111142zzzzzz將H(z)因式分解：得級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)： 11128162016111142zH zzzz將H(z)部分分式分解：得并聯(lián)型結(jié)構(gòu)：1）系統(tǒng)的單位抽樣響應(yīng) h(n)有限長，設(shè)N點(diǎn) FIR數(shù)字濾波器的特點(diǎn)：0z 2）系

7、統(tǒng)函數(shù)H(z)在 處收斂，有限z平面只有零點(diǎn)，全部極點(diǎn)在 z = 0 處（因果系統(tǒng)）3）無輸出到輸入的反饋，一般為非遞歸型結(jié)構(gòu)10( )( )NnnH zh n z系統(tǒng)函數(shù)：z=0處 是N-1階極點(diǎn)有N-1個(gè)零點(diǎn)分布于z平面10( )()()NMkkkky na y nkb x nk01( )( )( )1MkkkNkkkb zY zH zX za z10( )( )NnnH zh n z10( )( ) ()Nmy nh m x nm差分方程:10( )( ) ()Nmy nh m x nm/211201201( )( )()NNnkkknkH zh n zzzN為偶數(shù)時(shí)，其中有一個(gè) （N-

8、1個(gè)零點(diǎn)）20k將H(z)分解成實(shí)系數(shù)二階因式的乘積形式:系數(shù)比直接型多，所需的乘法運(yùn)算多 每個(gè)基本節(jié)控制一對(duì)零點(diǎn)，便于控制濾波器的傳輸零點(diǎn)1101( )( )(1)1NNkkNH kH zzNWz101( )( )NckkHzHzNN個(gè)頻率抽樣H(k)恢復(fù)H(z)的內(nèi)插公式：2jkNkze0,1,.,1kN()1jj NcH ee 22sin2NjNje( )1NcHzz 子系統(tǒng)： 是N節(jié)延時(shí)單元的梳狀濾波器在單位圓上有N個(gè)等間隔角度的零點(diǎn)：頻率響應(yīng)：222NNNjjjeee2jkkNkNzWe單位圓上有一個(gè)極點(diǎn)：2kN與第k個(gè)零點(diǎn)相抵消，使該頻率 處的頻率響應(yīng)等于H(k)1( )( )1k

9、kNH kHzWz諧振器子系統(tǒng)： 調(diào)整H(k)就可以有效地調(diào)整頻響特性 若h(n)長度相同，則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完全相同，除了各支路增益H(k)，便于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化 有限字長效應(yīng)可能導(dǎo)致零極點(diǎn)不能完全對(duì)消，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定 系數(shù)多為復(fù)數(shù)，增加了復(fù)數(shù)乘法和存儲(chǔ)量1101( )( )(1)1NNNrkkNH kH zr zNrWz2jkNkzre極點(diǎn)： 0,1,.,1kN11rr且將零極點(diǎn)移至半徑為r的圓上：為使系數(shù)為實(shí)數(shù)，將共軛根合并*N kkzz()*()N kkkNNWWW由對(duì)稱性：*( )()( )NNH kHNkRk又h(n)為實(shí)數(shù)，則1()1( )()( )11kkN kNNH kH NkHzrW

10、zrWz*1*1( )( )11()kkNNH kHkrWzr Wz101122212 cos()kkzzrkr zN11,2,.,21,2,.,12NkNNkN為奇數(shù)為偶數(shù)02Re( )kH k其中：12 Re( )kkNrH k W 將第k個(gè)和第(N-k)個(gè)諧振器合并成一個(gè)實(shí)系數(shù)的二階網(wǎng)絡(luò)：當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，還有一對(duì)實(shí)數(shù)根01(0)( )1HHzrz/21(/2)( )1NH NHzrzzr k=0, N / 2處：/2 10/211( )1( )( )( )NNNNkkH zr zHzHzHzNN為奇數(shù)時(shí)(1)/2011( )1( )( )NNNkkH zr zHzHzN只有一個(gè)實(shí)數(shù)根在 k = 0處：z = r01nNFIR濾波器單位抽樣響應(yīng)h(n)為實(shí)數(shù)，且滿足：( )(1)h nh Nn 偶對(duì)稱：( )(1)h nh Nn 或奇對(duì)稱：即對(duì)稱中心在 (N-1) / 2處則這種FIR濾波器具有嚴(yán)格線性相位。N為奇數(shù)時(shí)10( )( )NnnH zh n z11112210121