IIR濾波器零相位數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用
1 引言
在動態(tài)測試信號處理過程中,濾波器是常用的測試儀器之一。濾波器(filter),是一種用來消除干擾雜訊的器件,將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電路,就是濾波器,其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。濾波器,顧名思義,是對波進(jìn)行過濾的器件。“波”是一個(gè)非常廣泛的物理概念,在電子技術(shù)領(lǐng)域,“波”被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時(shí)間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用,被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時(shí)間函數(shù),稱之為各種物理量的時(shí)間波形,或者稱之為信號。因?yàn)樽宰兞繒r(shí)間‘是連續(xù)取值的,所以稱之為連續(xù)時(shí)間信號,它常被用于抗混濾波,以避免傅立葉變換時(shí)在頻域產(chǎn)生混疊,或從具有多種頻率成分的復(fù)雜信號中,將感興趣的頻率成分提取出來,而將不感興趣的頻率成分衰減掉。在傳統(tǒng)測試儀器中,濾波器的功能通常需要依靠硬件系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。
隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷完善,計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的日新月異以及軟件技術(shù)飛速發(fā)展,測試儀器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想發(fā)生了重大改變。部分傳統(tǒng)的專用測試設(shè)備會逐步被以計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件為核心的虛擬儀器所代替[1]。虛擬儀器的出現(xiàn)標(biāo)志著“軟件即儀器(The soft is the instrument)”時(shí)代的到來。在計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)(CAT,Computer Aided Test)中,以往模擬濾波器(AF,Analog Filter)的功能,模擬濾波器可以分為無源和有源濾波器。無源濾波器:2種電路主要有無源元件R、L和C組成。有源濾波器:集成運(yùn)放和R、C組成,具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高,輸出電阻小,構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限,所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。 可用數(shù)字濾波器來替代。數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)不但比模擬濾波器容易的多,而且還能獲得較理想的濾波器性能。
2 數(shù)字濾波器的時(shí)域描述與分類
對于一個(gè)線性移不變(LSI,Linear Shift Invariant)離散時(shí)間系統(tǒng),如圖1所示,可用如下差分方程表示:y(n)+∑Nk=1a(k)y(n-k)=∑Mr=0b(r)x(n-r)(1)式中a(k),b(r)為方程系數(shù)
圖1LSI系統(tǒng)
如果a(k),k=1,2,Λ,N不全為零,該系統(tǒng)為無限沖擊響應(yīng)(IIR)系統(tǒng)。若a(k)均為零,并令b(0)=1,則y(n)=∑Nr=1b(r)x(n-r)+x(n)(2)該系統(tǒng)為有限沖擊響應(yīng)(FIR)系統(tǒng)。
由此,數(shù)字濾波器在從實(shí)現(xiàn)方法上,有IIR濾波器和FIR濾波器之分。這兩類濾波器無論在性能上,還是在設(shè)計(jì)方法上都有著很大的區(qū)別。數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理,以達(dá)到改變信號頻譜的目的。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)間信號轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時(shí)間信號的特定功能裝置)。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時(shí),首先須對輸入模擬信號進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應(yīng)大于被處理信號帶寬的兩倍,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)呈鏡像對稱。為得到模擬信號,數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(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)。IIR數(shù)字濾波器與FIR濾波器相比,前者保留了模擬濾波器的優(yōu)點(diǎn),幅頻特性較好,但存在相位失真。后者相頻特性較好,可實(shí)現(xiàn)線性相位,但在相同指標(biāo)要求下要比前者的階數(shù)高的多。
123下一頁全文 本文導(dǎo)航第 1 頁:IIR濾波器零相位數(shù)字濾波實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用第 2 頁:差分?jǐn)?shù)字濾波器及其存在原理第 3 頁:零相位數(shù)字濾波的實(shí)現(xiàn)