【温故知新】数字滤波器的理论和应用

目录

一、概念

二、分类

三、技术指标

四、借助模拟滤波器间接设计数字滤波器

五、数字滤波器的直接设计方法

六、参考资料


一、概念

数字滤波器:输入输出均为数字信号,通过数值运算改变信号频率成分的相对比例,或滤除某些频率成分。属于数字信号处理的范畴。

模拟信号:时间和信号值(随时间变化的函数)都是连续的(电、磁、机械以及热、光、声等自然界中的原始信号)。

时域离散信号:时间是离散的,信号值是连续的(只能用函数来表示,无法取得具体值)。

数字信号:时间是离散的,信号值也是离散的(用计算机的二进制数来表示具体值了)。

相对优势:不存在模拟滤波器的局限,例如阻抗匹配问题,体积重量问题,灵活变更问题。 如果要用数字滤波器处理模拟信号,可以通过A/DC和D/AC,在信号形式上进行匹配转换。

模拟信号处理:通过一些模拟器件(例如晶体管、运算放大器、电阻、电容、电感等)组成的网络来完成对信号的处理。

实现技术:微机原理、计算机、DSP技术、FPGA技术、微电子技术、专用集成电路设计、程序设计、MATLAB等。

应用领域:包括通信、语音处理、声呐、雷达、遥感遥测、地质勘探、地震、仪表等。

二、分类

经典滤波器:根据不同频率成分占据不同频带,完成滤波。例如:低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

可实现的滤波器,在通带与阻带之间有一定宽度的过渡带,并且在通带和阻带都允许一定的误差容限,即通带不是完全水平的,阻带不是绝对衰减到零。

现代滤波器:根据信号的统计特性完成滤波。例如: 维纳滤波器、卡尔曼滤波器、自适应滤波器等。

按实现结构或单位脉冲响应长度分为IIR滤波器FIR滤波器。

IIR(Infinite lmpulse Response,无限长单位脉冲响应)滤波器则是非线性相位滤波器,它的优点是具有更高的处理效率和更低的延迟。IIR滤波器的缺点是相位响应不是线性的,容易产生失真和不稳定性。IIR滤波器适用于需要快速实时信号处理的场景,例如音频信号处理、图像处理等

FIR(Finite lmpulse Response,有限长单位脉冲响应)滤波器是一种线性相位滤波器,它的优点是稳定性好、易于设计、具有线性相位和无需考虑数字滤波器的稳定性等特点。FIR滤波器的缺点是需要更多的计算资源和延迟,适用于需要高精度的信号处理。

三、技术指标

幅频特性:表示信号通过该滤波器后各频率成分振幅衰减情况

相频特性:反应各频率成分通过滤波器后在时间上的延时情况

四、借助模拟滤波器间接设计数字滤波器

巴特沃斯(Butterworth)滤波器, 具有单调下降的幅频特性,下降的速度与阶数N有关。N愈大,通带愈平坦,过渡带愈窄,幅度下降的速度越快,过渡带越窄,过度带与阻带幅度下降的速度愈快,总的幅频响应特性越与理想低通滤波器的误差愈小。

切比雪夫(Chebyshew)滤波器,幅频特性在通带或阻带内具有等波纹特性。在通带内是等波纹的,在阻带内是单调的,称为切比雪夫Ⅰ型滤波器;在通带内是单调的,在阻带内是等波纹的,称为切比雪夫Ⅱ型滤波器。

椭圆(Ellipse)滤波器,在通带和阻带内都具有等波纹幅频响应特性。由于其极点位置与经典场论中的椭圆函数有关,所以由此取名为椭圆滤波器。

贝塞尔(Bessel)滤波器,幅频特性的过渡带比其他四种滤波器宽得多,但是通带内有较好的线性相位特性。

由上述比较可见,五种滤波器各具特点。工程实际中选择哪种滤波器取决于对滤波器阶数(阶数影响处理速度和实现的复杂性,以及处理器芯片的RAM负荷和运算负荷)和相位特性的具体要求。例如,在满足幅频响应指标的条件下希望滤波器阶数最低时,就应当选择椭圆滤波器。

五、数字滤波器的直接设计方法

直接在频域或者时域中设计数字滤波器,由于要解联立方程,因此需要计算机辅助进行设计。在Matlab的FilterDesigner工具(如下)中,可以输入技术指标直接设计出来一个滤波器,也可以导入一个滤波进行分析。

Tips:窗口顶部一排按钮的功能如下,查看幅值响应曲线、相位响应曲线、幅值响应和相位响应、群延迟响应、相位延迟响应、冲激响应、阶跃响应、零极点图、滤波器系数、滤波器信息。

几种常用的窗函数:矩形窗、三角(Bartlett)窗 、汉宁(Hanning)窗、哈明(Hamming)窗、布莱克曼(Blackman)窗、凯塞-贝塞尔(Kaiser-Basel-)窗

等波纹最佳逼近法与窗函数设计法和频率采样法比较,设计的滤波器性能价格比最高。阶数相同时,这种设计法使滤波器的最大逼近误差最小,即通带最大衰减最小,阻带最小衰减最大;指标相同时,这种设计法使滤波器阶数最低。

六、参考资料

《数字信号处理》——高西全、丁玉美


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