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什么是數(shù)字濾波器?數(shù)字濾波器是什么意思?

時(shí)間:2012-6-16閱讀:1582
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數(shù)字濾波器(digitalfilter)是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種裝置。其功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理,以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展,數(shù)字濾波器已可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn),也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器廣泛用于數(shù)字信號(hào)處理中,如電視、VCD、音響等。

  數(shù)字濾波器是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)(按預(yù)定的算法,將輸入離散時(shí)間信號(hào)轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時(shí)間信號(hào)的特定功能裝置)。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號(hào)時(shí),首先須對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號(hào)的抽樣率應(yīng)大于被處理信號(hào)帶寬的兩倍,其頻率響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性,且以折疊頻率即1/2抽樣頻率點(diǎn)呈鏡像對(duì)稱。為得到模擬信號(hào),數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號(hào)須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。

  數(shù)字濾波器在語(yǔ)言信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用zui廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器。

  數(shù)字濾波器分為兩類IIR和FIR。

  IIR濾波器有以下幾個(gè)特點(diǎn):

  IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式。

  IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu),即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成,可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式,都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理,使誤差不斷累積,有時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。

  IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果,如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等,有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查,其設(shè)計(jì)工作量比較小,對(duì)計(jì)算工具的要求不高。在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí),我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式,然后通過(guò)一定的變換,將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。

  IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制,對(duì)相位要求較高時(shí),需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。

  在MATLAB下設(shè)計(jì)IIR濾波器可使用Butterworth函數(shù)設(shè)計(jì)出巴特沃斯濾波器,使用Cheby1函數(shù)設(shè)計(jì)出契比雪夫I型濾波器,使用Cheby2設(shè)計(jì)出契比雪夫II型濾波器,使用ellipord函數(shù)設(shè)計(jì)出橢圓濾波器。下面主要介紹前兩個(gè)函數(shù)的使用。

  與FIR濾波器的設(shè)計(jì)不同,IIR濾波器設(shè)計(jì)時(shí)的階數(shù)不是由設(shè)計(jì)者,而是根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的各個(gè)濾波器參數(shù)(截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等),由軟件設(shè)計(jì)出滿足這些參數(shù)的zui低濾波器階數(shù)。在MATLAB下設(shè)計(jì)不同類型IIR濾波器均有與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。

  IIR單位響應(yīng)為無(wú)限脈沖序列FIR單位響應(yīng)為有限的

  IIR幅頻特性精度很高,不是線性相位的,可以應(yīng)用于對(duì)相位信息不敏感的音頻信號(hào)上;

  FIR幅頻特性精度較之于iir低,但是線性相位,就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過(guò)FIR濾波器后他們的時(shí)間差不變。這是很好的性質(zhì)。

  另外有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理,便于編程,用于計(jì)算的時(shí)延也小,這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。

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