課程設(shè)計論文基于巴特沃斯法數(shù)字IIR帶阻濾波器的設(shè)計

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1、 基于巴特沃斯法數(shù)字IIR帶阻濾波器的設(shè)計 1、 數(shù)字帶阻IIR濾波器設(shè)計 IIR數(shù)字濾波器在很多領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用。與FIR數(shù)字濾波器相比,它可以用較低的階數(shù)獲得高選擇性,所用存儲單元少,經(jīng)濟而效率高,在相同門級規(guī)模和相同時鐘速度下可以提供更好的帶外衰減特性。下面介紹一種設(shè)計實現(xiàn)IIR數(shù)字濾波器的方法。 設(shè)計步驟如下： 步驟1：將數(shù)字濾波器H(z)的技術(shù)指標ωp和ωs，通過Ω＝tan(ω/2)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M濾波器G(s)的技術(shù)指標Ωp和Ωs，作歸一化處理后，得到ηp＝1，ηs＝Ωs/Ωp； 步驟2：化解為模擬原型濾波器G(s)的技術(shù)指標； 步驟3：設(shè)計模擬

2、原型濾波器G(p)； 步驟4：將G(p)轉(zhuǎn)換為模擬濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)G(s)； 步驟5：將G(s)轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)H(z)，s=(z–1)(z+1)。 所謂原型濾波器是指歸一化的低通濾波器。本節(jié)主要討論通過IIR數(shù)字濾波器的原型轉(zhuǎn)換設(shè)計法和IIR數(shù)字濾波器的直接設(shè)計方法來設(shè)計數(shù)字高通、帶通及帶阻濾波器其轉(zhuǎn)換方法主要有3種：一是直接由模擬低通濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字高通、帶通或帶阻濾波器；二是先由模擬低通濾波器轉(zhuǎn)換成模擬高通、帶通或帶阻濾波器，然后再把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字濾波器；三是將模擬低通濾波器先轉(zhuǎn)換成數(shù)字低通濾波器，再通過變量代換變換成高通、帶通或帶阻濾波器。 數(shù)字IIR濾波器的

3、設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖： 模擬低通原型 頻率變換 模擬離散化 IIR數(shù)字濾波器 圖1、IIR濾波器的設(shè)計步驟 2、帶阻濾波器的設(shè)計規(guī)范： 本設(shè)計中分別用h(t)、H(s)、Ha(j)表示模擬濾波器的單位脈沖相應(yīng)、系統(tǒng)函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)，三者的關(guān)系如下： Ha(s) = LT[ha(t)] =edt Ha(j)=FT[ha(t)] =edt 可以用h(t)、H(s)、Ha(j)中任一個描述模擬濾波器，也可以用線性常系數(shù)微分方程描述模擬濾波器。但是設(shè)計模擬濾波器時，設(shè)計指標一般由幅頻相應(yīng)函數(shù)|Ha(j)|給出，而模擬濾波器設(shè)計就是根據(jù)設(shè)計指標，求系統(tǒng)函數(shù)H(s)。 工

4、程實際中通常用所謂的損耗函數(shù)即衰減函數(shù)A（）來描述濾波器的幅頻響應(yīng)特性，對歸一化幅頻響應(yīng)函數(shù)，A（）定義如下： A（）=-20lg|Ha(j)|=-10lg|Ha(j)| dB 模擬帶阻濾波器的設(shè)計指標參數(shù)有、、、、。和分別表示帶阻濾波器的通帶下邊界頻率和通帶上邊界頻率；和分別表示帶阻濾波器的阻帶下邊界頻率和阻帶上邊界頻率。1和2分別稱為通帶和阻帶波紋幅度 圖2、帶阻濾波器 帶阻濾波器的技術(shù)指標要求必須是幾何對稱的。如果帶阻濾波器不是幾何對稱的，為了使對稱的帶阻濾波器滿足最小阻帶衰減要求，在由非對稱的帶阻濾波器變換為對稱的帶阻濾波器時，保留非對稱帶阻濾波器的阻帶截止

5、頻率調(diào)整兩個通帶截止頻率中的一個，調(diào)整過程步驟如下： 1、 計算= 2、 計算=，如果>,用代替； 3、 如果，計算=，并用代替； 4、 如果A A，選擇A=min{ A, A}。 所有類型的變換，包括各自與低通原型的頻率變換如表1所示。用頻率變換法設(shè)計一個模擬濾波器的步驟如下： 1、確定低通、高通、帶通和帶阻模擬濾波器的技術(shù)要求。當要求的帶通或帶阻濾波器是非幾何對稱時，根據(jù)上面描述的過程使這些技術(shù)要求成幾何對稱的； 2、根據(jù)表1中的變換關(guān)系，確定歸一化低通濾波器的技術(shù)要求：通帶截止頻率為，阻帶截止頻率為，阻帶衰減為A(dB),阻帶衰減為A (dB)； 3、根據(jù)、、A 和A，用

6、巴特沃斯設(shè)計歸一化低通濾波器； 4、根據(jù)表1最右欄的變換關(guān)系，得到要求的非歸一化模擬濾波器。 表1 模擬濾波器的頻率變換 濾波器類型 歸一化低通濾波器H(p)的技術(shù)指標要求 要求的濾波器H(s), H(s)= H(p) 低通H(p)低通H(s) P= 低通H(p)高通H(s) P= 低通H(p)帶通H(s) P= 低通H(p)帶阻H(s) P= 下面我們用巴特沃斯濾波法來設(shè)計一個數(shù)字IIR帶阻型濾波器： 濾波器規(guī)范：通帶下邊界頻率： 50HZ 通帶上邊界頻率： 450H

7、Z 阻帶下邊界頻率： 200HZ 阻帶上邊界頻率： 300HZ 通帶最大衰減： 3dB 阻帶最小衰減： 20dB 抽樣頻率： 1KHZ 3、帶阻濾波器的系數(shù)計算： 首先確定所要求的帶阻濾波器是否為幾何對稱的： =2*50*2*450=4*2.25*10 =2*200*2*300=4*6*10 因為，而且設(shè)計的是帶阻濾波器，所以需要調(diào)整這個帶阻濾波器的通帶上下邊界頻率。 因為： =，=，則 = > 用值代替值，即令==2*133.3HZ。 因此，所要求的帶阻

8、濾波器的指標調(diào)整為： =2*133.3/1000 rad/s =2*450/1000 rad/s =2*200 /1000rad/s =2*300 /1000rad/s B=2*266.7 /1000rad/s =2*245 /1000rad/s A= A=3 dB A= A=20 dB 根據(jù)表1中間欄的變換關(guān)系式，將上述給定的帶阻濾波器指標要求轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的歸一化低通技術(shù)要求，有 =1 ===2.6 根據(jù)上面的技術(shù)要求，可以采用查表法或計算法來設(shè)計歸一化的巴特沃斯低通濾波器，這里采用計算法。 由式 確定最小的的濾波器階數(shù)，得 N

9、==1.9 取N=2，計算巴特沃斯濾波器的歸一化極點 p=ee k=0,1 p=e=-0.5000+0.8660j p= e=-1.0000+0.0000j 因此，低通濾波器的歸一化傳輸函數(shù)H(p)為 H(p)= = 根據(jù)表1最右邊欄的變換關(guān)系式，把歸一化低通濾波器變成所要求的帶阻濾波器的傳輸函數(shù)H(s) H(s) =H(p) = 由雙線性變換法求得數(shù)字巴特沃斯帶阻濾波器的傳遞函數(shù)為： H（Z）= H(s)= 軟件設(shè)計部分 Fs=100

10、0; Ap=3; As=20; Wp=[50/500,450/500]; Ws=[200/500,300/500]; [b,a]=butter(N,Ws,’stop’) 系統(tǒng)指標： 傳輸函數(shù)系數(shù)A： 系數(shù)B： 4、帶阻濾波器的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)： 令H（Z）=H(Z)H(Z)： 其中 H(Z)= H(Z)= 對應(yīng)的定義濾波器的差分方程如下： 濾波器部分1： w(n)=(1/s)x(n)-aw(n-2) y(n)= w(n)s/s+ w(n-2) s/s 濾波器部分2： w(n)= y(n)-

11、 w(n-2) y(n)= w(n) s+ w(n-2) s 系數(shù)和的精確值依賴于我們對H（Z）的多項式的分子和分母如何組對，以及實現(xiàn)多項式的二階濾波器部分是如何排序的。最好的組對和排序只能通過有限字長分析來確定。 實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)圖如下： x(n) y(n) -a s/s s Z Z 圖3、濾波器的實現(xiàn)結(jié)

12、構(gòu)圖 5、有效字長效應(yīng)分析： 由給定的性能規(guī)范，我們將假設(shè)使用的算法是定點的2的補碼算術(shù)，每一個系數(shù)被舍入量化到16位字長。 這里我們主要的是評估不同量化誤差對濾波器性能的影響，以及根據(jù)信噪比確定最好的濾波器結(jié)構(gòu)用于實現(xiàn)，所要考慮的誤差源主要是： 1、 溢出誤差 2、 舍入誤差 3、 系數(shù)量化誤差 但由于DSP本身有限字長和精度的因素，加上IIR濾波器在結(jié)構(gòu)上存在反饋回路，是遞歸型的，再者高階濾波器參數(shù)的動態(tài)范圍很大。這樣一來造成兩個后果：結(jié)果溢出和誤差增大，從而導(dǎo)致算法無法在DSP上實現(xiàn)。 解決此問題的有效方法是把高階IIR數(shù)字濾波器簡化成幾個2階濾波器來設(shè)計，即采用級聯(lián)

13、結(jié)構(gòu)。因此系統(tǒng)函數(shù)為： H(z)=H1(z)H2(z)…Hn(z)　　　　　　(3) 上述4階IIR數(shù)字濾波器采用級聯(lián)的結(jié)構(gòu)后變成2個濾波器級聯(lián)的形式，每個濾波器的系數(shù)表如下所示。 量化前濾波器系數(shù) 為了設(shè)計可實現(xiàn)的IIR濾波器:需要對上一步分解獲得的二階基本節(jié)的濾波器系數(shù)進行量化,即用一個固定的字長加以表示。量化過程中由于存在不同程度的量化誤差,由此會導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)偏差,嚴重時會使IIR濾波器的極點移到單位圓之外,系統(tǒng)因而失去穩(wěn)定性。為了獲得最優(yōu)的濾波器系數(shù) 量化后濾波器的系數(shù)： 除了系數(shù)存在量化誤差,數(shù)字濾波器運算過

14、程中有限字長效應(yīng)也會造成誤差,因此對濾波器中乘法器、加法器及寄存器的數(shù)據(jù)寬度要也進行合理的設(shè)計,以防止產(chǎn)生極限環(huán)現(xiàn)象和溢出振蕩。 量化過程中由于存在不同程度的量化誤差，由此會導(dǎo)致濾波器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)偏差，嚴重時會使IIR濾波器的極點移到單位圓之外，系統(tǒng)因而失去穩(wěn)定性 圖4、量化前后系統(tǒng)的零極點圖 由圖4可看出系統(tǒng)零極點都在單位圓內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定可實現(xiàn)。這兩個可能的濾波器結(jié)構(gòu)的每一個都有不同的比例因子，以及不同的信號舍入誤差。這個步驟的目標是根據(jù)信噪比性能方面來確定最好的組對和排序。溢出和舍入誤差是緊密相連的，所以伸縮變換和舍入分析應(yīng)該同時進行。 利用有限字長的分析程序，可以得到

15、對于上面兩個可能的濾波器的比例因子，它們是基于L 、L 和L的范數(shù)。在這個例子里，我們利用了L的范數(shù)，對于一個以兩個標準部分串聯(lián)實現(xiàn)的四階濾波器，在伸縮變換以后，輸出端的舍入噪聲為： =[3s|| H(Z)H(Z)||+5s||H(z)||+3] 其中q 是量化步長或舍入，||.||是L范數(shù)的平方。H(Z)是第一級濾波器的傳遞函數(shù)，H(Z)是第二級濾波器的傳遞函數(shù)，s是第一個濾波器階段的伸縮比例因子，s是第二個濾波器的比例因子。 系統(tǒng)的量化誤差的效應(yīng)：我們檢查那些給出的系數(shù)字長是否滿足穩(wěn)定和頻率響應(yīng)的規(guī)范。當極點不是非常靠近單位圓時，16位的系數(shù)字長對保持穩(wěn)定是足夠的。例如，對于第一個濾

16、波器部分，實驗程序表明2位就足以滿足穩(wěn)定要求，把系數(shù)量化成16位僅改變極點半徑。采用16位系數(shù)字長時，濾波器的響應(yīng)實際上和未量化的濾波器的響應(yīng)是一樣的。圖5描繪了量化前后的濾波器的頻率響應(yīng)。 圖5、帶阻濾波器量化前后的幅頻響應(yīng) -----為量化前 ———量化后 6、帶阻濾波器的軟件實現(xiàn)： 由系統(tǒng)指標規(guī)范可編程： N為濾波器的階數(shù)；zz和pz為系統(tǒng)的零點和極點；kz為系統(tǒng)的增益： Fs=1000; Ap=3; As=20; Wp=[50/500,450/500]; Ws=[200/500,300/500]; [N,Wc]=buttord

17、(Wp,Ws,Ap,As); [zz,pz,kz]=butter(N,Ws,’stop’); [b,a]=butter(N,Ws,’stop’); Subplot(2,1,1) [H,f]=freqz(b,a,512,Fs); Plot(f,abs(H)) Xlabel(‘頻率/(HZ)’) Ylabel(‘幅度/(dB)’) Subplot(2,1,2) Zplane(b,a) 極點(pz)： 增益（kz）： 圖6、帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)，零極點圖 圖7、量化前后階躍響應(yīng) 圖8、群延時響應(yīng) 圖9、量化前后脈沖

18、響應(yīng) 總結(jié) 在信號與信息的過濾、檢測和預(yù)測等處理中，都要使用濾波器，數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中使用最廣泛的一種方法。IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計過程中，可以借助模擬濾波器的設(shè)計成果或直接采用典型的濾波器類型，減少工作量.。通過這個實驗，對設(shè)計帶通數(shù)字濾波器的整個過程有了很好的掌握。其中雙線性變換法，巴特沃斯設(shè)計模擬濾波器的運用，也比較熟悉了。 通過對數(shù)字帶通濾波器的設(shè)計，熟悉了MATLAB的運行環(huán)境，初步掌握了MATLAB語言在數(shù)字信號處理中一些基本庫函數(shù)的調(diào)用和編寫基本程序等應(yīng)用；熟悉了濾波器設(shè)計的一般原理，對濾波器有了一個感性的認識；學(xué)會了數(shù)字高通濾波器設(shè)計的一般步驟；加深了對濾波器設(shè)計中產(chǎn)生誤差的原因以及雙線性變換法優(yōu)缺點的理解和認識?？傊?，使理論聯(lián)系了實際，鞏固并深化了對課本基本知識的認識和理解，使理論得以升華。 參考文獻： 1 邢培育，崔克清.一種基于TMS320C5402的數(shù)字IIR濾波器設(shè)計[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2002； 2 高宇晨，戴居豐.改進的IIR濾波器避免運算溢出和定點DSP的實現(xiàn)[J]. 天津通信技術(shù)，2001； 3 陳愛萍，胡曉東.基于MATLAB的IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計[J]. 湖南工程學(xué)院學(xué)報，2004； 4 齊海兵,平冠軍,陶文超.無限沖激響應(yīng)濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息,2006; 18