數字濾波器

科學知識 9547 410 2014-11-24

數字濾波器(digital filter)是由數字乘法器、加法器和延時單元組成的一種裝置。其功能是對輸入離散信號的數字代碼進行運算處理,以達到改變信號頻譜的目的。由於電子計算機技術和大規模集成電路的發展,數字濾波器已可用計算機軟件實現,也可用大規模集成數字硬件實時實現。數字濾波器廣泛用於數字信號處理中,如電視、VCD、音響等。

數字濾波器是一個離散時間系統(按預定的算法,將輸入離散時間信號轉換為所要求的輸出離散時間信號的特定功能裝置)。應用數字濾波器處理模擬信號時,首先須對輸入模擬信號進行限帶、抽樣和模數轉換。數字濾波器輸入信號的抽樣率應大於被處理信號帶寬的兩倍,其頻率響應具有以抽樣頻率為間隔的週期重複特性,且以折疊頻率即1/2抽樣頻率點呈鏡像對稱。為得到模擬信號,數字濾波器處理的輸出數字信號須經數模轉換、平滑。數字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復用、便於集成等優點。

數字濾波器在語言信號處理、圖像信號處理、醫學生物信號處理以及其他應用領域都得到了廣泛應用。數字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時不變的或時變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應用最廣的是線性、時不變數字濾波器。

數字濾波器分為兩類IIR和FIR。

IIR濾波器有以下幾個特點:

IIR數字濾波器的系統函數可以寫成封閉函數的形式。

IIR數字濾波器採用遞歸型結構,即結構上帶有反饋環路。IIR濾波器運算結構通常由延時、乘以係數和相加等基本運算組成,可以組合成直接型、正准型、級聯型、並聯型四種結構形式,都具有反饋回路。由於運算中的捨入處理,使誤差不斷累積,有時會產生微弱的寄生振蕩。

IIR數字濾波器在設計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,有現成的設計數據或圖表可查,其設計工作量比較小,對計算工具的要求不高。在設計一個IIR數字濾波器時,我們根據指標先寫出模擬濾波器的公式,然後通過一定的變換,將模擬濾波器的公式轉換成數字濾波器的公式。

IIR數字濾波器的相位特性不好控制,對相位要求較高時,需加相位校準網絡。

在MATLAB下設計IIR濾波器可使用Butterworth函數設計出巴特沃斯濾波器,使用Cheby1函數設計出契比雪夫I型濾波器,使用Cheby2設計出契比雪夫II型濾波器,使用ellipord函數設計出橢圓濾波器。下面主要介紹前兩個函數的使用。

與FIR濾波器的設計不同,IIR濾波器設計時的階數不是由設計者指定,而是根據設計者輸入的各個濾波器參數(截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等),由軟件設計出滿足這些參數的最低濾波器階數。在MATLAB下設計不同類型IIR濾波器均有與之對應的函數用於階數的選擇。

IIR單位響應為無限脈衝序列FIR單位響應為有限的

IIR幅頻特性精度很高,不是線性相位的,可以應用於對相位信息不敏感的音頻信號上;

FIR幅頻特性精度較之於iir低,但是線性相位,就是不同頻率份量的信號經過FIR濾波器後他們的時間差不變。這是很好的性質。

另外有限的單位響應也有利於對數字信號的處理,便於編程,用於計算的時延也小,這對實時的信號處理很重要。



,