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IIR滤波器的特点及设计方法
2024-03-02 19:41  点击数:

  先思考一个问题,我们前面学到的FIR滤波器的设计方法,能不能应用于IIR滤波器?如果能,那该多好啊!

  很可惜,答案是否定的。FIR滤波器的设计方法,完全、一丁点也不适用IIR滤波器。为什么呢?FIR滤波器的单位冲激响应 h(n) 是有限长的,h(n)就是其系统函数H(z)的系数(分子多项式系数,因为分母为1)。而IIR滤波器则完全不同,它的h(n) 是无限长的,其数值与系统函数H(z)的系数(分子多项式系数、分母多项式系数)没有直接的对应关系。

  我们回顾一下,FIR滤波器的设计,是从不可物理实现的理想滤波器出发,从理想滤波器的单位冲激响应出发(窗函数法)、或者从其频率响应出发(频率取样法),进行处理,得到可物理实现的FIR滤波器。其设计过程,更侧重用到数字信号处理的一些基本理论(如时频域的对应关系、频谱泄露、混叠等概念)。

  而IIR滤波器设计,则是更侧重数学的角度,用一些形状合适的数学函数,通过调节函数中的某些参数,来直接逼近滤波器的幅度函数,使其满足性能指标的要求。其目标依然是确定系统函数H(s)分子分母多项式的阶数以及系数,也就是图1中的各个ai和bi。

  第一种方法,称为“模拟原型法”,又称为“间接设计法”。先设计模拟原型滤波器H(s),再利用模拟系统数字化的方法转换为数字滤波器H(z),如果转换?是我们本章的学习重点。

  第二种方法,称为“计算机辅助设计法”,又称为“直接设计法”。是利用优化技术,借助计算机进行大量迭代运算,在某种最优化准则下逼近所需要的频率响应。这其实是个数学问题。我们这里不多费口舌。

  所谓实际需求,也就是对哪些频段的频率成分需要滤除(即阻带),哪些频段需要保留(即通带)。以及滤除的干净程度(阻带最小衰减)、保留的不损失程度(通带最大衰减)。

  这两个衰减,通常以dB为单位。而通带和阻带的截止频率(或称为边沿频率)通常是“模拟频率”,所以我们设计滤波器的第一步,就是需要将“模拟频率,转换为“数字域频率”,公式如下:

  为什么叫“原型”,因为我们的目标是设计数字滤波器,所以这里设计的模拟滤波器只是一个中间存在,故而称为“原型”。

  既然是设计模拟滤波器,通带、阻带当然要以模拟频率来表示,所以我们首先面临一个疑问:数字滤波器的通带阻带是以数字域频率来表示的,与模拟原型滤波器的通带阻带(模拟角频率来表征的)有何对应关系呢?

  如何转换?是本章学习的重点。我们将重点学习两种转换方法,分别称为“冲激响应不变法”和“双线性变换法”。

  时不同频率分量的叠加的相位情况和输入时有变化,得到的通带信号产生失真。

  Filter Design&Analysis Tool求得,下面以一个

  等,有现成的设计数据或图表可查,其设计工作量比较小,对计算工具的要求不高。在设计一个

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