数字滤波器的各种形式及应用

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m
E(m)= ∑ h2(n); ;
n=0
m
同样长响应的积累能量 积累能量E(m) ,最小相位系统的大, 最小相位系统的大, 同样长响应的积累能量 能量集中在n小的时段 , 能量延迟小; 可证。 能量集中在 小的时段,能量延迟小 ; 用 Parseval可证 。 小的时段 可证
3) 最小相位系统的逆系统存在。 最小相位系统的逆系统存在。 因果稳定的最小相位系统: 因果稳定的最小相位系统:H(z)=B(z)/A(z); 其逆系统: 其逆系统: Hinv(z)=1/H(z)=A(z)/B(z) 亦是因果稳定的____存在 存在. 亦是因果稳定的 存在 信道均衡器” “信道均衡器”近似是信道滤波器的逆滤波器。 信道均衡器 近似是信道滤波器的逆滤波器。
2) 幅频特性相同的所有因果稳定系统中, 幅频特性相同的所有因果稳定系统中, 最小相位系统的相位延迟最小。 最小相位系统的相位延迟最小。 物理意义:时域响应 物理意义:时域响应 波形延迟最小。 的初值定理可证。 波形延迟最小。|hmin(0)|>|h(0)|; 用ZT的初值定理可证。 的初值定理可证 能量延迟最小。 ≥ 能量延迟最小。E(m)min= ∑ h2min(n)≥ n=0
给定3个因果稳定系统 例8.1 (P260,problem 3)给定 个因果稳定系统:p1=- 给定 个因果稳定系统: =-0.9; p2=0.9; r=0.5, ϕ=π/3。 = 。 写出系统函数H1(z), H2(z), H3(z)的表达式; 写出系统函数 的表达式; 的表达式 绘出其幅频特性、相频特性、单位脉冲响应 绘出其幅频特性、相频特性、单位脉冲响应h1(n)、h2(n)、 、 、 h3(n)波形及相应的积累能量曲线。验证最小相位系统性质。 波形及相应的积累能量曲线。 波形及相应的积累能量曲线 验证最小相位系统性质。
Chapter 8
—各种形式及应用 各种形式及应用
8.1 Special Digital Filters 8.1.1. All Pass filter 1.定义: 定义: 定义 2. 零极点的分布规律: 零极点的分布规律:
8.1.2. 最小相位系统: 最小相位系统: 1. 定义: 定义: 因果稳定系统H(z):极点必在单位圆内。 H(z)的 :极点必在单位圆内。 因果稳定系统 必在单位圆内 的 所有零点亦均在单位圆内, 最小相位系统 系统” 所有零点亦均在单位圆内, “最小相位系统” Hmin(z) 亦均在单位圆内 所有零点均在单位圆外, 所有零点均在单位圆外, 均在单位圆外 2. 最小相位系统的特点: 最小相位系统的特点 特点: 1)任何非最小相位系统 H(z)=Hmin(z)·Hap(z) 任何非最小相位系统 = 应用: 应用: 将系统位于单位圆外的零( 将系统位于单位圆外的零(极)点zk, 用其共轭倒数1/z 代替时 系统幅频特性不变 代替时, 幅频特性不变; 用其共轭倒数 k*代替时,系统幅频特性不变; 将非最小相位系统位于单位圆外的所有零点z0k 最小相位系统位于单位圆外的所有零点 用其共轭倒数1/z 代替 代替(k= 用其共轭倒数 0k*代替 =1,2,…,m0),可得最小相位 , 系统。且幅频特性不变。 系统。且幅频特性不变。 “级联”。 级联” 级联 “最大相位系统” Hmax(z) 最大相位系统” 系统
8.4 数字信号处理的应用 8.4.1.数字音响 . 1. 通道扬声器驱动滤波器 . 通道扬声器驱动滤波器 传统的扬声器驱动网络 扬声器驱动网络把输入的模拟音频信号分成低音频分量 传统的扬声器驱动网络把输入的模拟音频信号分成低音频分量 和高音频分量,分别驱动扬声器的低音喇叭和高音喇叭。 和高音频分量,分别驱动扬声器的低音喇叭和高音喇叭。 高档的音响扬声器至少把输入音频分量低、 高档的音响扬声器至少把输入音频分量低、中、高三个频段分 别输出。如CD播放器的输出送至“数字”扬声器(数字音 播放器的输出送至 别输出。 播放器的输出送至“数字”扬声器( 响),输入的是数字音频信号,要用数字滤波器把它分成合适 ,输入的是数字音频信号, 的频段,再转成模拟格式,经放大,驱动扬声器的相应模块。 的频段,再转成模拟格式,经放大,驱动扬声器的相应模块。 10 两通道驱动网络 设系统f 设系统 s=44.1kHZ(音频信号的典型 s≈40kHz), (音频信号的典型f ) 低频、高频的交错频率(其截止频率 低频、高频的交错频率(其截止频率fc=3kHZ)。 )。 的实际规定是f [ fc值是为示意方便。 ISO 的实际规定是 c=1kHz ] 值是为示意方便。
2) 特点:但为使系统函数是整系数,对消复数零点(其共轭也 特点:但为使系统函数是整系数,对消复数零点 复数零点( 是零点) 是零点)时,应同时取相应的一对复共轭极点。 应同时取相应的一对复共轭极点。
系数为整数,要求 系数为整数,要求2cos(2πk/N)=1,0,-1, π 设计的BPF通带中心只能是π/3, π/2, 2π/3。受限制。 通带中心只能是π 设计的 通带中心只能是 π 。受限制。 3) 幅频特性: 幅频特性:
ω |HLP,HP(ejω)|=|sin(ωN/2)/sin(ω/2)|k, ω ω
k:根据通、阻带参数确定的常数。 :根据通、阻带参数确定的常数。
ω |HBP(ejω)|=|cos(ωN/2) / [cos (ω)-cosω0]| k ω ω- ω
根据要求的中心频点,及其相邻“梳齿”的峰值频率可 根据要求的中心频点,及其相邻“梳齿”的峰值频率可 选择N 选择 (i.e. ω0), k. 优点:结构简单,处理速度快。 优点:结构简单,处理速度快。
2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 0
) φ1(ω ) φ2(ω ) φ3(ω
0.5 ω /π
1
φ(ω) / rad
|H ω)| (e
j
0.5 ω /π
1
H1=Hmin, H2=mixed, H3=Hmax的幅度、相位特性。 的幅度、相位特性。
Ac c u m u la te d E n e rg y , E (M )=s u m (|h (n )| ) 14 12 10 8 6 4 2 0
H2(z)、 H3(z)的系数是为了保证 个系统幅频特性相同。 是为了保证3个系统幅频特性相同。 、 的系数是为了保证 个系统幅频特性相同 可由|H 可由 1(ej0) |=|H2(ej0)|= |H3(ej0)| = 确定。 确定。
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
H (ejω) 1 H (ejω) 2 H (ejω) 3
eM kM kM rM y(n)
由直接型的系数h(n)求格型的系数(又称反射系数) 求格型的系数(又称反射系数) 由直接型的系数 求格型的系数 有递推公式,较繁。 有递推公式,较繁。P232. 式(8.2.8b), (8.2.10), , 利用Matlab函数可以方便地获得: 函数可以方便地获得: 利用 函数可以方便地获得 h=[1,h1,h2,…hN] 直接型的系数,h(0)=1,归一化的 = 直接型的系数, 归一化的 k=[k1,k2,…kN] = 格型的系数, 反射系数) 格型的系数,(反射系数), tf2latc(h,1) 可得格型网络的系数 。 ( ) 可得格型网络的系数k。 2 全极点(IIR)格型网络 全极点( ) 网络结构P234,图8.2.4 图 网络结构
π π 解:H1(z)=(1-0.5ejπ/3z-1)2(1-0.5e-jπ/3z-1)2/(1-0.81z-2) = π π H2(z)=(1/4)(1-0.5ejπ/3z-1)(1-0.5e-jπ/3z-1) ·… = π π (1-2ejπ/3z-1)(1-2e-jπ/3z-1)/(1-0.81z-2) π π H3(z)=(1/16)(1-2ejπ/3z-1)2(1-2e-jπ/3z-1) 2/(1-0.81z-2) =
x(n) 0.648 -0.739 0.739 z- 1 0.703 -0.703 z- 1 z- 1 y(n)
8.3.整系数数字滤波器 整系数数字滤波器 滤波器的提出:满足滤波器实时性和实现简单的要求。 滤波器的提出:满足滤波器实时性和实现简单的要求。 幅频特性要求不高。 幅频特性要求不高。 1. 建立在多项式拟合基础上的简单整系数滤波器 建立在多项式拟合基础上的简单整系数滤波器 多项式拟合基础 实现整系数LPF, 可用于滤除高频噪声。 可用于滤除高频噪声。 实现整系数 2. 建立在零极点对消基础上的简单整系数滤波器 建立在零极点对消基础上的简单整系数滤波器 零极点对消基础 1) 思想:以整系数的梳状滤波器为原型, 思想:以整系数的梳状滤波器为原型,
x(n) -0.703 -0.703 z- 1 x(n) z- 1 0.739 0.739 z- 1 y(n) -0.648
翻转
y(n) -0.648
-0.703 -0.703 z- 1 z- 1
0.739 0.739 z- 1
给定IIR传输函数 传输函数: 例8.2. b) 给定 传输函数: H(z)=1/[1-1.7z-1+1.53z-2-0.648z-3] - 求其格型网络系数,并画出网络结构。 求其格型网络系数,并画出网络结构。 该系统显然是例 的逆系统, 解:该系统显然是例8.2a) 的逆系统,a=[1, -1.7, 1.53, -0.684] 网络求逆: kb=tf2latc(a,1)=[-0.7026,0.7385,-0.6480 ] , 网络求逆 , , 1) 将FIR上部无时延通路(黄箭头)反向, 上部无时延通路( 上部无时延通路 黄箭头)反向, 其上各常数支路增益变为原来的倒数( 其上各常数支路增益变为原来的倒数(1/1=1) ) 2) 把指向该新通路各节点的其它增益乘-1。 把指向该新通路各节点的其它增益乘 新通路各节点的其它增益乘- 。 指向有时延通路节点的支路增益不变。 (指向有时延通路节点的支路增益不变。 3) 输入与输出位置交换。 输入与输出位置交换。 延迟器如用z 表示, 无方向的问题) (延迟器如用 -1表示,则求逆时 无方向的问题)
π 根据幅频特性与H(z)零极点的关系,在某个零点zk=ej2πk/N 零极点的关系,在某个零点 根据幅频特性与 零极点的关系
处设置极点p 系统函数: 处设置极点 k=zk,系统函数:H(z)=(1-z-N)/(1-pkz-1), = , 以ωk=2πk/N为中心,具有带通特性。 π 为中心,具有带通特性。 为中心 带通特性 根据ω 的取值,可实现LPF,BPF,HPF。 根据ωk的取值,可实现 。
2
E(M)
E 1 (M ) E 2 (M ) E 3 (M ) 0 10 20 30 40 S a m p le d a ta s M 50 60
H1=Hmin, H2=mixed, H3=Hmax的积累能量特性。 的积累能量特性。
8.2 Lattice Structure Form Filter * Features:Robust to finite length of Registers. : *Applications:Power Spectra estimation; : ; Speech processing, Auto-adaptive filtering, Linear Prediction, Invers-filtering 1 全零点(FIR)格型网络 全零点( ) 直接型: 直接型: 格型: 格型:
e0 x(n) r0 z - 1
x(n) Z- 1 h(0)
M阶FIR: H(z)=A(z)= ∑ h(i)z-i 阶 : =
i=0 Z- 1
M
Z- 1 h(2)
Z- 1
Z- 1 h(M) y(n)
h(1)
h(M-1)
e1 k1 k1 r1 z - 1
e2 k2 k2 r2 z- 1
eM-1 - kM-1 kM-1 z- 1 rM-1 -
M阶FIR: H(z)=1/A(z)=1/(1+ ∑ aM(i)z-i) 阶 : =
i=1
M
其系数仍可用 tf2latc(a,1),a=[1, aM(1),…, aM(M)] 求。 = 但和FIR格型相比:在网络上的排列顺序是从右向左。 格型相比:在网络上的排列顺序是从右向左。 但和 格型相比 从右向左 交叉支路箭头反向, 各点交叉支路箭头反向 延迟支路的箭头也反向。 各点交叉支路箭头反向,延迟支路的箭头也反向。
例8.2. a)
给定FIR的差分方程: 的差分方程: 给定 的差分方程 y(n)=x(n)-1.7x(n-1)+1.53x(n-2)-0.648x百度文库n-3)。 - - 。 求其格型系数,并画出格型结构图。 求其格型系数,并画出格型结构图。
解:取ZT,系统函数: ,系统函数: H(z)=Y(z)/X(z)=1-1.7z-1+1.53z-2-0.648z-3 - run eg8_2.m,得:ka =[-0.7026,0.7385,-0.6480] 得 , ,
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