第五章 数字滤波器的基本结构
合集下载
iir和fir基本结构
x[k]
b0
w[k]
y[k ]
z 1
b1
a1
z 1
z 1
b2
z 1
a2
z 1
a N 1 z 1
z 1
bN
aN z 1
直接 II 型结构
x[k]
x[k]
a1
a1
z 1
z 1
aa2 2
z 1
z 1
aaNN1z1z1 1
aaNN zz1 1
b0
z 1
b1b0
b1
z 1 b2b2 z1
k 0
z 1
z 1
z 1
1
1
1
z 1
z 1
1 z 1
z 1 1
h[0]
h[1]
h[2]
y[k]
h[ M 3] h[ M 1]
2
2
相同系数的共用乘法器，只需(M+1) /2个乘法器
三、 FIR 数字滤波器的级联型结构
将H(z)分解为若干个实系数一阶二阶因子相
乘
L
H (z) h[0] (1 1,k z 1 2,k z 2 )
j 1
w[k] b0 x[k] b1x[k 1] bN x[k M ]
y[k] w[k] a1x[k 1] a2 x[k 2] aN x[k N ]
直接 I 型结构
设M=N w[k] b0 x[k] b1x[k 1] bN x[k N ] y[k] w[k] a1x[k 1] a2 x[k 2] aN x[k N ]
第5章 数字滤波器的基本结构
IIR数字滤波器的基本结构 FIR数字滤波器的基本结构 格型结构
IIR数字滤波器的基本结构
数字滤波器的基本结构(3)-sw_OK
8
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
一、直接I型
表述一个IIR滤波器的系统函数和差分方程分别 由(5-1)和(5-2)式表述，
M
N
y(n) bk x(n k) ak y(n k)
k 0
k 1
(5-2)
根据(5-2)式可以看出，y(n)可以分为两部分之和
M
第一部分为 bk x(n k) 对应输入x(n)及其各延迟 k 0
（2）将输入x(n)和输出y(n)互换位置。
18
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
x(n)
b0
b1
z 1 a1
b2
z 1 a2
y(n)
bM 1
bM
z 1
aN 1
z 1
aN
图8 直接 II 型的转置型
19
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
[例 1]设IIR数字滤波器的系统函数为
图6可以看作是图5的极点网络和零点网络互换级联 位置而成的。
观察图6
∵w1=w2 ∴前后两部分对应的延迟支路输出节点变量 也相等，即图中的w1(n-1)=w2(n-1)，w1(n-i)=w2(n-i)，
故可将前后两部分对应的延迟支路合并，合并后的信 号流图为
15
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
H (z) 8z3 4z2 11z 2
(z 1)(z2 z 1)
4
2
试画出该IIR数字滤波器的直接II型及其转置型的结构。
8 4z1 11z2 2z3 解： H (z) 1 5 z1 3 z2 1 z3
448
20
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
一、直接I型
表述一个IIR滤波器的系统函数和差分方程分别 由(5-1)和(5-2)式表述，
M
N
y(n) bk x(n k) ak y(n k)
k 0
k 1
(5-2)
根据(5-2)式可以看出，y(n)可以分为两部分之和
M
第一部分为 bk x(n k) 对应输入x(n)及其各延迟 k 0
（2）将输入x(n)和输出y(n)互换位置。
18
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
x(n)
b0
b1
z 1 a1
b2
z 1 a2
y(n)
bM 1
bM
z 1
aN 1
z 1
aN
图8 直接 II 型的转置型
19
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
[例 1]设IIR数字滤波器的系统函数为
图6可以看作是图5的极点网络和零点网络互换级联 位置而成的。
观察图6
∵w1=w2 ∴前后两部分对应的延迟支路输出节点变量 也相等，即图中的w1(n-1)=w2(n-1)，w1(n-i)=w2(n-i)，
故可将前后两部分对应的延迟支路合并，合并后的信 号流图为
15
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
H (z) 8z3 4z2 11z 2
(z 1)(z2 z 1)
4
2
试画出该IIR数字滤波器的直接II型及其转置型的结构。
8 4z1 11z2 2z3 解： H (z) 1 5 z1 3 z2 1 z3
448
20
5.2 无限长单位冲激响应(IIR)滤波器 的基本结构
数字滤波器的基本结构
H (z)
A
m1 N1
m1 N2
(1 ck z1) (11k z1 2k z2 )
k 1
k 1
将单实根因子看作二阶因子的特例：
46
M 1 2
(1 1m z1 2m z2 )
H (z) A m1 N 1 2 (1 1k z1 2k z2 ) k 1
：表示取整。
其中
Hi
(z)
1 1i z1 11i z1
2i 2i
z 2 z 2
,
级联结构：
i 0,1,..., m
X(n) H1（Z）
H2（Z）
。。。
Y(n) Hm（Z）
48
H(Z)的实现结构即可表示为基本二阶节 的级联形式。每个二阶节用典范型实现：
Z-1
Z 1 a1
y(n 1)
Z 1
a2
y(n 2)
Z 1 bM
x(n M )
Z 1
aN 1
y(n N 1)
Z 1
aN
y(n N)
实现N阶差分方程的直接I型结构
36
M=N
37
1）可直接差分方程或系统函数的标准形式画 出。两个网络级联：第一个横向结构M节延 时网络实现零点（分子，输入），第二个有 反馈的N节延时网络实现极点（分母，输 出） 。需要N+M级延时单元。
32
◦ 系统函数 ◦ 差分方程
M
bk z k
H(z)
k 0 N
1 ak zk
Y (z) X (z)
k 1
N
M
y(n) ak y(n k) bk x(n k)
数字信号处理 第五章
+ a2 z-1
数字信号处理—第五章
6
举例：二阶数字滤波器
y ( n ) a 1 y ( n 1) a 2 y ( n 2 ) b 0 x ( n )
x(n) b0 +
-1 a1 z
y(n)
+ a2 z-1
数字信号处理—第五章
7
举例：二阶数字滤波器
y ( n ) a 1 y ( n 1) a 2 y ( n 2 ) b 0 x ( n )
z z
2 2
H (z)
1 1k z 1 1k z
1 1
x(n)
H 1(z)
y (n )
H 2(z)
H k (z)
数字信号处理—第五章
22
数字信号处理—第五章
23
IIR数字滤波器的级联型结构优点
1) 每个二阶或一阶子系统单独控制零、极点。 2）级联顺序可交换，零、极点对搭配任意，因此级联 结构不唯一。有限字长对各结构的影响是不一样的， 可通过计算机仿真确定子系统的组合及排序。 3）级联各节之间要有电平的放大和缩小，以使变量值 不会太大或太小。太大可能导致运算溢出；太小可 能导致信噪比太小。 4）级联系统也属于最少延时单元实现，需要最少的存 储器，但乘法次数明显比直接型要多。 4）级联结构中后面的网络输出不会再流到前面，运算 误差积累比直接型小。
数字信号处理—第五章
4
基本单元(数字滤波器结构）有两种表 示方法
数字信号处理—第五章
5
举例：二阶数字滤波器
y ( n ) a 1 y ( n 1) a 2 y ( n 2 ) b 0 x ( n )
x(n) b0 +
数字信号处理第五章-IIR数字滤波器的设计
24
2、由模平方函数确定系统函数
模拟滤波器幅度响应常用幅度平方函数表示：
| H ( j) |2 H ( j)H *( j)
由于冲击响应h(t)为实函数，H ( j) H *( j)
| H ( j) |2 H ( j)H ( j) H (s)H (s) |s j
H (s)是模拟滤波器的系统函数，是s的有理分式；
分别对应：通带波纹和阻带衰减(阻带波纹)
（4种函数）
只介绍前两种
31
32
33
无论N多大，所 有特性曲线均通 过该点
特性曲线单调减小，N越大，减小越慢 阻
特性曲线单调减小，N越大，减小越快
34
20Nlog2：频率增加一倍，衰减6NdB
35
另外：
36
无论N多大，所 有特性曲线均通 过Ωc点: 衰减3dB, Ωc 为 3dB带宽
8
根据
(线性相位滤波器)
非线性相位滤波器
9
问题：
理想滤波器的幅度特性中，频带之间存 在突变，单位冲击响应是非因果的；
只能用逼近的方法来尽量接近实际的要 求。
滤波器的性能要求以频率响应的幅度特 性的允许误差来表征，如下图：
10
p
11
低通滤波器的频率响应包括：
通带：在通带内，以幅度响应的误差δp逼近 于1；
20
3、数字滤波器设计的基本方法
利用模拟理论进行设计 先按照给定的技术指标设计出模拟滤波 器的系统函数H(s)，然后经过一定的变 换得到数字滤波器的系统函数H(z),这实 际上是S平面到Z平面的映射过程： 从时域出发，脉冲响应不变法 从频域出发，双线性变换法 适合于设计幅度特性较规则的滤波器， 如低通、高通等。
由于系统稳定， H(s)的极点一定落在s的左半 平面，所以左半平面的极点一定属于H(s)，右 半平面的极点一定属于H(-s)。
2、由模平方函数确定系统函数
模拟滤波器幅度响应常用幅度平方函数表示：
| H ( j) |2 H ( j)H *( j)
由于冲击响应h(t)为实函数，H ( j) H *( j)
| H ( j) |2 H ( j)H ( j) H (s)H (s) |s j
H (s)是模拟滤波器的系统函数，是s的有理分式；
分别对应：通带波纹和阻带衰减(阻带波纹)
（4种函数）
只介绍前两种
31
32
33
无论N多大，所 有特性曲线均通 过该点
特性曲线单调减小，N越大，减小越慢 阻
特性曲线单调减小，N越大，减小越快
34
20Nlog2：频率增加一倍，衰减6NdB
35
另外：
36
无论N多大，所 有特性曲线均通 过Ωc点: 衰减3dB, Ωc 为 3dB带宽
8
根据
(线性相位滤波器)
非线性相位滤波器
9
问题：
理想滤波器的幅度特性中，频带之间存 在突变，单位冲击响应是非因果的；
只能用逼近的方法来尽量接近实际的要 求。
滤波器的性能要求以频率响应的幅度特 性的允许误差来表征，如下图：
10
p
11
低通滤波器的频率响应包括：
通带：在通带内，以幅度响应的误差δp逼近 于1；
20
3、数字滤波器设计的基本方法
利用模拟理论进行设计 先按照给定的技术指标设计出模拟滤波 器的系统函数H(s)，然后经过一定的变 换得到数字滤波器的系统函数H(z),这实 际上是S平面到Z平面的映射过程： 从时域出发，脉冲响应不变法 从频域出发，双线性变换法 适合于设计幅度特性较规则的滤波器， 如低通、高通等。
由于系统稳定， H(s)的极点一定落在s的左半 平面，所以左半平面的极点一定属于H(s)，右 半平面的极点一定属于H(-s)。
5 第五章_数字滤波器结构-2
8 16 20 z 1 H ( z ) 16 1 1 0.5z 1 z 1 0.5z 2
将上式中的每一部分画成直接型结构，再进行并联，最 后得到IIR并联型结构如图所示。
8 16 20 z 1 H ( z ) 16 1 1 0.5z 1 z 1 0.5z 2
1 1 1 1将上式写成来自面形式:式中1 0.3z 1 1 0.4 z 1 H ( z) H1 ( z ) H 2 ( z ) 1 1 1 0.6 z 1 0.5z
1 0.3z 1 1 0.4 z 1 H1 ( z ) , H 2 ( z) 1 1 0.6 z 1 0.5z 1
这里H1(z)和H2(z)分别是IIR一阶网络，将它们进行级 联, 得到级联型网络结构。
1 0.3z 1 1 0.4 z 1 H ( z) H1 ( z ) H 2 ( z ) 1 1 1 0.6 z 1 0.5z
x (n ) z－ 1 0.6 x (n ) z－ 1 0.6 0.4 (b ) z－ 1 0.3 (a ) y (n ) z－ 1 y (n )
[例] 设IIR数字滤波器差分方程为
y ( n) 8 x ( n) 4 x ( n 1) 11x ( n 2) 2 x ( n 3) 5 3 1 y (n 1) y (n 2) y (n 3) 4 4 8
试用四种基本结构实现此差分方程。 解 对差分方程两边取z变换，得系统函数
1
1
2
• 上式中的第一部分是IIR一阶网络，它的系数决定一对 零极点； 第二部分是 IIR 二阶网络，它决定一对零点 和一对极点。这两部分相互级联起来，构成IIR级联型 网络结构。
数字滤波器的基本结构
未来研究方向
新型算法研究
针对实际应用中的挑战，未来研究将进一步探索新型的数字滤波器 算法，以提高其性能、稳定性和适应性。
高性能硬件实现
随着集成电路和计算机工程的发展，未来研究将进一步探索高性能 、低功耗的数字滤波器硬件实现方法。
跨领域应用
数字滤波器在许多领域都有广泛的应用前景，如医疗、航空航天、环 保等，未来研究将进一步拓展数字滤波器的应用领域。
梯度下降法
通过迭代地更新滤波器的 系数，使得误差的梯度下 降最快，从而逐渐逼近最 优解。
牛顿法
利用牛顿定理，通过迭代 来寻找最优解，具有较高 的收敛速度和精度。
最优滤波器设计
最小均方误差（MMSE）滤波器
以最小化输出信号与期望信号之间的均方误差为优化目标，设计最优的滤波器 。
卡尔曼滤波器
一种递归滤波器，通过预测和更新来估计系统的状态，具有较高的稳定性和精 度。
控制系统
数字滤波器可以用于控制系统 的处理，如伺服控制、PID控制
、卡尔曼滤波等。
02
CHAPTER
数字滤波器的基本结构
数字滤波器的基本结构 直接形式
直接形式是数字滤波器的基本结构之 一。它是一种直观的形式，由一个输 入和一个输出组成，输入信号经过一 个或多个线性时不变系统后得到输出 信号。直接形式的结构简单，易于理 解和实现。
硬件优化
随着集成电路和计算机工程的发展，数字滤波器的硬件实 现越来越高效，低功耗、高速度和小型化成为主要趋势。
软件算法改进
数字滤波器的算法不断优化，以适应更复杂和多变的应用 场景，如神经网络、深度学习等算法的引入使得滤波效果 更加精确。
嵌入式应用
随着嵌入式系统的发展，数字滤波器在嵌入式设备上的应 用越来越广泛，这要求数字滤波器具有更强的稳定性和适 应性。
第5章-滤波器结构
基本运算单元
加法器 单位延时器 常数乘法器
Z
-1 -1
Z a
a
信号流图——用节点与有向支路描述系统
节点 j a 节点 k
节点——支路的汇合点 输入节点(源节点) 、输出节点(阱节点) 分支节点、加法器 支路——由起始节点到终止节点的一条有向通道 节点值（节点变量）——节点上的物理量，等于该节点 所有输入支路之和。 输入支路的值=支路起点的节点值×支路传输系数
N2 Ak γ0 k γ1k z 1 G0 1 1 2 1 c z 1 z z k 1 k 1 k 1k 2k
G0 H k ( z )
k 1
L
画出各二阶基本节的直接型结构，再将它们并联
一阶基本节、二阶基本节
二阶基本节 （二阶节）
γ0 k γ1k z 1 H k ( z) 1 α1k z 1 α2 k z 2
k 0 N
j H ( k ) H ( e ) 2 数字频域——系统数字频响 k
对于上面的算式，可以化成不同的计算形式，如直接计 算、分解为多个有理函数相加、分解为多个有理函数相乘 等等，不同的计算形式也就表现出不同的计算结构，而不 同的计算结构可能会带来不同的效果，或者是实现简单，
网络结构分类 FIR网络
不存在反馈支路，其单位脉冲响应有限长
y (n ) bi x(n i )
i 0
M
bn , 0 n M h(n ) 0,
IIR网络
存在反馈支路，即信号流图中存在环路，其单位 脉冲 响应无限长
y (n) bi x(n i ) ai y (n i )
1
2
二阶基本节
一阶基本节、二阶基本节
五章节IIR数字滤波器设计
第五章 IIR数字滤波器设计
数字滤波类型与指标 模拟滤波器设计 设计IIR滤波器旳脉冲响应不变法 设计IIR滤波器旳双线性变换法 设计IIR数字滤波器频率变换法 数字陷波器设计
1
§1 数字滤波类型与指标
滤波旳目旳
① 为了压制输入信号旳某些频率成份，从而变化信号 频谱中各频率分量旳相对百分比。 ② 广义滤波涉及对信号旳检测与参量旳估计。 信号旳检测：拟定在干扰背景中信号是否存在。 信号参量旳估计：为辨认信号而拟定信号旳某一种或某 几种参量旳估值。
滤波技术
① 滤波器设计：根据给定滤波器旳频率特征，求得满足 该特征旳传播函数。 ② 滤波过程旳实现：取得传播函数后，以何种方式到达 对输入信号旳进行滤波旳目旳。
版权全部 违者必究
2
数字滤波类型与指标
数字滤波器
具有某种特定频率特征旳线性时不变系统。广义上，任何 线性时不变离散系统都是一种数字滤波器（简称DF）。 设计数字滤波器旳任务就是谋求一种因果稳定旳线性时不 变系统，使其系统函数H(z)具有指定旳频率特征。
首先设计一种合适旳模拟滤波器，然后将它 “ 变换 ” 成满足给定 指标旳数字滤波器。
这种措施适合于设计幅频特征比较规则旳滤波器，例如低通、高通 、带通、带阻等。 当把模拟滤波器旳H(s) “ 变换 ” 成数字滤波器旳H(z) 时，其实质就 是实现S平面对Z平面旳 “ 映射 ” 。这必须满足两个条件： ① 必须确保模拟频率映射为数字频率，且确保两者旳频率特征基本
有关极点旳讨论
在归一化频率旳情况 c=1，极点均匀分布在单位圆上
s e j(2k N 1) / 2N k
k 1,2,, N
对于物理可实现系统,它旳全部极点均应在 s旳左半平面上
版权全部 违者必究
数字滤波类型与指标 模拟滤波器设计 设计IIR滤波器旳脉冲响应不变法 设计IIR滤波器旳双线性变换法 设计IIR数字滤波器频率变换法 数字陷波器设计
1
§1 数字滤波类型与指标
滤波旳目旳
① 为了压制输入信号旳某些频率成份，从而变化信号 频谱中各频率分量旳相对百分比。 ② 广义滤波涉及对信号旳检测与参量旳估计。 信号旳检测：拟定在干扰背景中信号是否存在。 信号参量旳估计：为辨认信号而拟定信号旳某一种或某 几种参量旳估值。
滤波技术
① 滤波器设计：根据给定滤波器旳频率特征，求得满足 该特征旳传播函数。 ② 滤波过程旳实现：取得传播函数后，以何种方式到达 对输入信号旳进行滤波旳目旳。
版权全部 违者必究
2
数字滤波类型与指标
数字滤波器
具有某种特定频率特征旳线性时不变系统。广义上，任何 线性时不变离散系统都是一种数字滤波器（简称DF）。 设计数字滤波器旳任务就是谋求一种因果稳定旳线性时不 变系统，使其系统函数H(z)具有指定旳频率特征。
首先设计一种合适旳模拟滤波器，然后将它 “ 变换 ” 成满足给定 指标旳数字滤波器。
这种措施适合于设计幅频特征比较规则旳滤波器，例如低通、高通 、带通、带阻等。 当把模拟滤波器旳H(s) “ 变换 ” 成数字滤波器旳H(z) 时，其实质就 是实现S平面对Z平面旳 “ 映射 ” 。这必须满足两个条件： ① 必须确保模拟频率映射为数字频率，且确保两者旳频率特征基本
有关极点旳讨论
在归一化频率旳情况 c=1，极点均匀分布在单位圆上
s e j(2k N 1) / 2N k
k 1,2,, N
对于物理可实现系统,它旳全部极点均应在 s旳左半平面上
版权全部 违者必究
同济大学数字信号处理课件第五章1数字滤波器的基本结构3
B1 z z1B1 z1
B2 z B1 z k2z1B1 z 1 k1z1 k1k2z1 k2z2
B2
z
k2 B1
z
z 1B1
z
k2
k1k2 z1
k2 z 1
z 2
2020/6/12
B2 z z2B2 z1
课件
8
L Bm z zmBm z1
a(3) 1
1.8313708,
a(3) 2
1.4319595,
a(3) 3
0.448
二阶系统：A2 (z) 11.4886262z1 0.7650549z2
a(2) 1
1.4886262,
a(2) 2
0.7650549
一阶系统： A1(z) 1 0.8433879z1
a(1) 1
0.8433879
z
2
B 2020/6/12 m1 z zBm z z课k件mBm1 z
3
6
Bm
z
Bm1
z
km z
B 1 m1
z
Bm
z
km
Bm1
z
z
B 1 m1
z
Bm1 z zBm z zkmBm1 z
1 2
3
(3)代入(1)得（4）
Bm1
z
1 1 km2
Bm
z
km Bm
z
4
(4)代入(3) 得：
b12
k2b12
0.8433879
k1
得一阶系统：
B1(z) 1 0.8433879z1
2020/6/12
课件
13
2、全极点系统（IIR系统）的格型结构
数字滤波器的基本结构IV
k1
k0
17
特点：
第一个网络实现零点，即实现x(n)加权延时:
N
bkx(n k)
k0
第二个网络实现极点，即实现y(n)加权延时:
N
ak y(n k)
k 1
可见，第二网络是输出延时，即反馈网络。
*共需（M+N）个存储延时单元。
18
二、直接II（典范）型结构
直接型结构是由两个网络级联组成：
52
这个设备是由输入输出 延时部分、系数ai、bi 存储器、运算器及控制 器组成。
每一部分都可以用数字 硬件来构成。
6
5.1 数字滤波器的基本概念
数字滤波器的描述 数字滤波器的分类
7
5.1 数字滤波器结构的表示方法
一个数字滤波器可以用差分方程来描述：
N
M
y(n)aky(nk)bkx(nk)
46
N为奇数时
N1
H(z) h(n)zn n0 N n 2 1 0 1h(n)znh N 2 1 zN 2 1nN N 1 11h(n)zn 2 令 nN1m N n 2 1 0 1h(n) znz(N 1 n) h N 2 1 zN 2 1
47
h(n)偶对称，取“+”
Hz=
m0 N
1 anzn
Yz X z
n1
将系统函数整理为：
Hz=11 .5 02 .3 .1 zz1 1 00 .2 .4 zz2 2
1.52.1z10.4z2 1 0.3z10.2z2
23
H(z)1.52.1z10.4z2 10.3z10.2z2 得 a1 0.3，a2 0.2 b0 1.5 b1 2.1，b2 0.4 直接I型结构：
第五章-3(数字滤波器)
第三节大纲概述无限冲激响应（IIR）数字滤波器 冲激响应不变法双线性变换法IIR数字滤波器的网络结构有限冲激响应（FIR）数字滤波器 窗函数法FIR滤波器的网络结构一、概述1、数字滤波器的概念数字滤波器是具有一定传输特性的数字信号处理装置，其输入和输出都是数字信号，它借助于数字器件和一定的数值计算方法，对输入信号的波形或频谱进行加工、处理，改变输入信号，从而去掉信号中的无用成分而保留有用成分。
2、数字滤波器的优点精度高。
模拟器件（如R、L、C等）的精度一般很难做高，而数字滤波器的精度则由字长决定。
如果要增加精度，只需增加字长即可。
可靠性高。
模拟滤波器中各种参数都有一定的温度系数，会随着环境条件的变化而变化，容易出现感应、杂散效应甚至振荡等。
数字滤波器一般不受外界环境（如温度、湿度等）的影响，没有模拟电路的元器件老化问题。
灵活性高。
通过编程可以随时修改滤波器特性的设计，灵活性较高。
便于大规模集成。
设计数字滤波器具有一定的规范性，便于大规模集成、生产。
数字滤波器可工作于极低频率，也可比较容易地实现模拟滤波器难以实现的线性相位系统。
3、数字滤波器的种类按照其频率响应的通带特性，可分为低通、高通、带通和带阻滤波器；若根据其冲激响应的时间特性，可分为无限冲激响应(IIR)数字滤波器和有限冲激响应(FIR)数字滤波器；若根据数字滤波器的构成方式，可分为递归型数字滤波器、非递归型数字滤波器以及用快速傅立叶变换实现的数字滤波器。
4、数字滤波器的原理设输入序列为4、数字滤波器的构成若a i =0 ，则有∑=−=M i ii zb z H 0)()()1()()(10M n b n b n b n h M −++−+=δδδL 系统函数是z -1的多项式，其相应的单位脉冲响应的时间长度是有限的，最多有M+1项。
因此，把系统函数具有以上形式的数字滤波器称为有限冲激响应FIR （Finite Impulse Response ）滤波器。
数字信号处理-第五章数字滤波器的基本结构(new)
1 2 ( 1 p z ) ( 1 z z ) 1k k 2k 1 k 1 N1 1 1 2 ( 1 c z ) ( 1 a z a z ) k 1k 2k k 1 k 1 k 1 N2 M1 M2
H ( z) A
将两个一阶因子组合成二阶因子,则
数字信号处理－第五章 数字滤波器络结构及 FIR数字滤波器的基本网络结构
数字信号处理－第五章 数字滤波器的基本结构
滤波器表示方式
（1）系统函数
k b z k M
Y ( z) H ( z) X ( z)
1 ak z k
k 1
k 0 N
1 ak z k
k 1
k 0 N
N2 M N Ak Bk (1 g k z 1 ) k G z k 1 1 * 1 1 c z ( 1 d z )( 1 d z ) k 1 k 1 k 0 k k k N1
一般IIR滤波器满足
N1
数字信号处理－第五章 数字滤波器的基本结构
5.2 无限长单位冲激响应（IIR)滤波器的基本结构）
IIR滤波器有以下几个特点： （1）系统的单位冲激响应 （2）系统函数
h( n)
是无限长的
H ( z)
在有限z平面（
0 z
）上有极点存在
（3）结构上存在输出到输入的反馈，也就是结构是递归的 1、直接Ⅰ型 一个IIR滤波器的有理系统函数为：
x n
3 1.5 -1.5 0.5
z 1 z 1 z 1
-3.5 2.5
y n
数字信号处理－第五章 数字滤波器的基本结构 级联型：
3z 3 3.5z 2 2.5z 3 3.5z 1 2.5z 2 1 H ( z) 2 2 z z 1 z 0.5 1 z z 1 0.5z 1
H ( z) A
将两个一阶因子组合成二阶因子,则
数字信号处理－第五章 数字滤波器络结构及 FIR数字滤波器的基本网络结构
数字信号处理－第五章 数字滤波器的基本结构
滤波器表示方式
（1）系统函数
k b z k M
Y ( z) H ( z) X ( z)
1 ak z k
k 1
k 0 N
1 ak z k
k 1
k 0 N
N2 M N Ak Bk (1 g k z 1 ) k G z k 1 1 * 1 1 c z ( 1 d z )( 1 d z ) k 1 k 1 k 0 k k k N1
一般IIR滤波器满足
N1
数字信号处理－第五章 数字滤波器的基本结构
5.2 无限长单位冲激响应（IIR)滤波器的基本结构）
IIR滤波器有以下几个特点： （1）系统的单位冲激响应 （2）系统函数
h( n)
是无限长的
H ( z)
在有限z平面（
0 z
）上有极点存在
（3）结构上存在输出到输入的反馈，也就是结构是递归的 1、直接Ⅰ型 一个IIR滤波器的有理系统函数为：
x n
3 1.5 -1.5 0.5
z 1 z 1 z 1
-3.5 2.5
y n
数字信号处理－第五章 数字滤波器的基本结构 级联型：
3z 3 3.5z 2 2.5z 3 3.5z 1 2.5z 2 1 H ( z) 2 2 z z 1 z 0.5 1 z z 1 0.5z 1
数字信号处理第5章
第5章 数字滤波器的基本结构5.1 学习要求1 掌握IIR 数字滤波器的基本网络结构，包括直接型、级联型和并联型；2 掌握FIR 数字滤波器的基本网络结构，包括直接型、级联型和频率抽样型；3 了解数字信号处理中的量化效应和数字信号处理的实现。
5.2 学习要点5.2.1 数字滤波器的结构特点与表示方法一个数字滤波器可以用系数函数表示为：01()()()1Mkk k N kk k b zY z H z X z a z -=-===-∑∑ (5-1) 直接由此式可得出表示输入输出关系的常系数线性差分方程为：1()()()N Mk k k k y n a y n k b x n k ===-+-∑∑ (5-2)由式(5-2)看出，实现一个数字滤波器需要几种基本的运算单元—加法器、单位延时和常数乘法器。
这些基本的单元可以有两种表示法：方框图法和信号流图法，如图5-1所示。
用方框图表示较明显直观，用流图表示则更加简单方便。
z ⊕aa单位延时乘常数相加方框图表示法信号流图表示法图5-1 基本运算过程的表示5.2.2 无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器的基本结构无限长单位脉冲响应(IIR)滤波器有以下几个特点：(1) 系统的单位脉冲响应()h n 是无限长的；(2) 系统函数()H z 在有限z 平面(0z <<∞)上有极点存在； (3) 结构上存在着输出到输入的反馈，也就是结构上是递归型。
同一种系统函数()H z 的基本网络结构有直接I 型、直接Ⅱ型、级联型和并联型四种。
1直接I 型直接型按式(5-2)差分方程式将输入采样值（序列）)(n x 延迟并乘以系数k b ，将输出采样（序列）)(n y 延迟并乘以系数k a ，再把它们加起来，这种结构称为直接I 型，结构流图如图5-2所示。
由图可看出，总的网络)(z H 由Mkk k b z-=∑和11Nkk k a z-=-∑两部分网络级联组成，第一个网络实现零点，第二个网络实现极点，从图中又可看出，直接I 型结构需要N M +级延时单元。
数字滤波器的基本结构
图5-11 并联结构的一阶、二阶基本节结构
.
19
第5章 数字滤波器的基本结构
图5-12 三阶IIR滤波器的并联型结构
.
20
第5章 数字滤波器的基本结构
2．并联型结构的特点
并联型结构也可以用调整 1k ,2k 的办法单独调整 一对极点的位置，但对于零点的调整却不如级联型方 便，它不能单独调整零点的位置，而且当滤波器的阶 数较高时，部分分式展开比较麻烦。在运算误差方面， 由于各基本网络间的误差互不影响，没有误差积累， 因此比直接型和级联型误差稍小一点。当要求有准确 的传输零点时，采用级联型最合适。
k 1
M NN=一N阶1+2系N统2
当M<N时， Gk z k 0
二阶系统 共轭复数
延时加 权单元
k 0
M N
当M=N时，
Gk zk G0
k 0 .
(4-6)
17
第5章 数字滤波器的基本结构
以M＝N时为例进行研究，将共轭复根部分，成对地 合并为二阶实系数的部分分式，此时H(z)可表示为
H (z) G 0k N 1 11 A c k kz 1k N 2 11 1 0 k kz 1 1 kz 2 1 kz 2
调整系数 1k , 2k 就能单独调整滤波器的第k对零点，对其
他零极点并无影响；同样,调整系数 1k ,2k 也只单独调整了 第k对极点，而不影响其它零极点。因此，与直接型结构相
比，级联型结构便于准确地实现滤波器零、极点，因而便
于调整滤波器的频率响应性能。
.
16
第5章 数字滤波器的基本结构
四、并联型结构（※）
H(z)(1zN)N 1N k 0 11H W (N kk)z1
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
aN
z-1
y(n-M)
第五章 数字滤波器的基本结构
5.2无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构
直接I型
m0
系统函数在有限z平面不存在极点
M
N
y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
信号流图中有输出对输入的反馈回路
M
bm z m
M
bm z m
H (z)
m0 N
m0 N
ak zk 1 ak zk
k 0
k 1
系统函数在有限z平面存在极点
x(n)
y(n)=x(n)+ax(n-1)
H(z) 1 az1
5.2无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构
网络结构的分类
有限长单位冲击响应(FIR)系统
无限长单位冲击响应(IIR)系统
h(n)有限长；
h(n)无限长；
M
M
y(n) bmxn m h(n) bm n m
m0
m0
信号流图中无输出对输入的反馈回路
M
H (z) bmzm
m0
系统函数在有限z平面不存在极点
z-1 a
y(n)
x(n) b0
y(n) a1y(n 1) a2 y(n 2) b0x(n)
a1
H
(
z)
1
a1z
b0 1
a2
z
2
a2
y(n)
z-1
z-1
第五章 数字滤波器的基本结构
5.2无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构
网络结构的分类
有限长单位冲击响应(FIR)系统
无限长单位冲击响应(IIR)系统
a2 z-1
x(n-2)
aN-1 y(n-M+1)
aN
z-1
y(n-M)
第一个网络，实现零点
第五章 数字滤波器的基本结构
5.2无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构
直接I型
M
bm zm
H(z)
m0 N
1 ak zk
k 1
M
N
y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
x(n)
5
a1
z-1
3
a2
z-1
4
y(n) a1y(n 1) a2 y(n 2) b0x(n)
H
(
z)
1
a1z
b0 1
a2
z
2
二阶数字滤波器
信号流图表示
H (z)
1 1 0.8z1 0.15z2
1.5 1 0.3z1
1
2.5 0.5z
1
1 1 0.3z1
1
1 0.5z
1
第五章 数字滤波器的基本结构
5.2无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构
直接I型
M
bm zm
H(z)
m0 N
1 ak zk
k 1
M
N
y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
x(n)
b0
z-1
x(n-1)
b1
z-1
b2
x(n-2)
x(n-M+1)
bM-1
z-1
x(n-M)
bM
y(n)
a1
z-1
y(n-1)
+ x(n)
h(n)
y(n) a 延时 X
一个线性移不变系统，可以用常系数线性差分方程来描述：
N
M
y(n) ak yn k bk xn k
k 0
k 0
M
M
其系统函数H(z)为： H(z)
Y (z) X (z)
bk zk
k 0 N
1 ak zk
K
1 cmz1
m1 N
1 dk z1
M
h(n) bk hn k
k 0
k 0
k 1
H (e j ) H z ze j
第五章 数字滤波器的基本结构
5.1 数字滤波器结构的表示方法 5.2 无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构 5.3 有限长单位冲击响应(FIR)滤波器的基本结构
第五章 数字滤波器的基本结构
5.1 数字滤波器结构的表示方法
+ x(n)
M
bm zm
H(z)
m0 N
1 ak zk
k 1
系统函数在有限z平面存在非零极点
y(n) a1y(n 1) a2 y(n 2) b0x(n)
H
(
z)
1
a1z
b0 1
a2
z
2
x(n) b0 a1 a2
y(n)
z-1
z-1
H (z)
1 1 0.8z1
0.15z 2
1.5 1 0.3z1
M
N
y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
信号流图中有输出对输入的反馈回路
M
bm z m
M
bm z m
H (z)
m0 N
m0 N
ak zk 1 ak zk
k 0
k 1
系统函数在有限z平面存在极点
x(n)
y(n)=x(n)+ax(n-1)
H(z) 1 az1
z-1 a
y(n)
x(n) b0
m0 N
m0 N
ak zk 1 ak zk
k 0
k 1
系统函数在有限z平面存在极点
x(n)
y(n)=x(n)+ax(n-1)
H(z) 1 az1
z-1 a
y(n)
x(n) b0
y(n) a1y(n 1) a2 y(n 2) b0x(n)
a1
H
(
z)
1
a1z
b0 1
a2
z
2
a2
y(n)
z-1
z
2
第五章 数字滤波器的基本结构
5.1 数字滤波器结构的表示方法
实现数字滤波器需要的基本运算单元：加法器、单位延时、常数乘法器 基本单元的两种表示法：方框图法、信号流图法
x(n) x(n) x1(n)
z－1 x(n－1) x(n) a
ax(n)
x1(n)＋x2(n)
b0 1
5
a1
a2
2 y(n)
z-1
h(n)
y(n) a 延时 X
一个线性移不变系统，可以用常系数线性差分方程来描述：
N
M
y(n) ak yn k bk xn k(z)为：H(z)
Y (z) X (z)
bk zk
k 0 N
1 ak zk
K
1 cmz1
m1 N
1 dk z1
k 0
k 1
第五章 数字滤波器的基本结构
3
z-1
4
x(n) z－1 x(n－1)
x(n) x1(n)
a ax(n) x1(n)＋x2(n)
x2(n)
方框图表示法
二阶数字滤波器 信号流图表示
y(n) a1y(n 1) a2 y(n 2) b0x(n)
H
(
z)
1
a1z
b0 1
a2
z
2
x2(n)
信号流图表示法
第五章 数字滤波器的基本结构
5.1 数字滤波器结构的表示方法
实现数字滤波器需要的基本运算单元：加法器、单位延时、常数乘法器 基本单元的两种表示法：方框图法、信号流图法
x(n)
z－1 x(n－1)
a x(n)
ax(n)
x1(n)
x1(n)＋x2(n)
x(n) z－1 x(n－1)
x(n) x1(n)
a ax(n) x1(n)＋x2(n)
k 1
M
N
y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
x(n)
b0
z-1
x(n-1)
b1
z-1
b2
x(n-2)
x(n-M+1)
bM-1
z-1
x(n-M)
bM
y(n)
a1
z-1
y(n-1)
a2 z-1
x(n-2)
aN-1 y(n-M+1)
aN
z-1
y(n-M)
按差分方程直接画出的网络结构
第五章 数字滤波器的基本结构
)
x(n a1
k)
y(n)
z-1
H
(
z)
1
a1z
b0 1
a2
z
2
a2 z-1
第五章 数字滤波器的基本结构
5.2无限长单位冲击响应(IIR)滤波器的基本结构
无限长单位冲击响应(IIR)系统
M
N
h(n)无限长；y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
信号流图中有输出对输入的反馈回路
h(n)有限长；
h(n)无限长；
M
M
y(n) bmxn m h(n) bm n m
m0
m0
信号流图中无输出对输入的反馈回路
M
N
y(n) bmxn m ak yn k
m0
k 1
信号流图中有输出对输入的反馈回路
M
H (z) bmzm
m0
系统函数在有限z平面不存在非零极点
M
bm zm
H(z)
5.1 数字滤波器结构的表示方法
实现数字滤波器需要的基本运算单元：加法器、单位延时、常数乘法器 基本单元的两种表示法：方框图法、信号流图法