黃 波
(作者單位:成都大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院)
數(shù)字濾波器可以允許某些頻率的信號基本無損通過,而另外一些頻率的信號會受到較大抑制,甚至被濾除,所以數(shù)字濾波器可以被看作是一個(gè)選頻電路,凡是有能力進(jìn)行信號處理的裝置都稱為濾波器[1]。
IIR(Infinite Impulse Response)數(shù)字濾波器對信號進(jìn)行過濾、檢測與參數(shù)估計(jì)等處理。當(dāng)前,數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)有不少成熟的高級語言程序,但它們的設(shè)計(jì)效率較低,無法進(jìn)行可視化操作,不可以修改參數(shù)等缺陷,MATLAB軟件的出現(xiàn),為數(shù)字濾波器的深入研究和廣泛應(yīng)用,搭建了一個(gè)高效有利的平臺[2]。
巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是,通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線可以實(shí)現(xiàn)最大限度的平坦,沒有高低起伏,而在阻頻帶內(nèi)則可以實(shí)現(xiàn)緩慢下降至零。在振幅對數(shù)的對角頻率波特圖上,巴特沃斯濾波器可以從某個(gè)邊界的角頻率開始,其振幅可以隨著角頻率增加而逐漸變少,最終趨向于負(fù)無窮大。圖1為當(dāng)N=2,5,10,20時(shí)的巴特沃斯頻率圖。
圖1 巴特沃斯頻率圖
圖2 切比雪夫頻率圖
切比雪夫模擬濾波器的特點(diǎn)是,在通頻帶內(nèi)或阻頻帶上可以實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)幅度等波紋波動,切比雪夫模擬濾波器在過渡帶上比巴特沃斯模擬濾波器衰減得更快,但其頻率響應(yīng)幅頻特性比后者要陡峭一些。切比雪夫模擬濾波器和理想中的數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差可以做到最小,但無法避免的是,它在通頻帶內(nèi)依然存在幅度上的波動。如圖2所示,當(dāng)N=2、3、7時(shí)的切比雪夫頻率圖。
數(shù)字濾波器就是對不同頻率的數(shù)字信號可以實(shí)現(xiàn)從頻域完成信號之間分離的時(shí)序邏輯電路,或者是設(shè)計(jì)程序。我們這里所說的數(shù)字濾波器都是一個(gè)離散的LTI系統(tǒng)。離散LTI系統(tǒng)模型如圖3所示。
圖3 離散LTI系統(tǒng)模型
其中,x(n)、y(n)分別為數(shù)字系統(tǒng)的輸入序列和輸出序列,H(E)是系統(tǒng)的特性函數(shù)(轉(zhuǎn)移算子)。
IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)過程包括:首先按設(shè)計(jì)任務(wù),確定濾波器性能要求,制定技術(shù)指標(biāo);其次用一個(gè)因果穩(wěn)定的離散系統(tǒng)的系統(tǒng)函數(shù)H(z)逼近此性能指標(biāo);然后利用有限精度算法實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)函數(shù),如運(yùn)算結(jié)構(gòu)、字長的選擇等。
數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)過程,其實(shí)是尋找一組系數(shù){b,a},進(jìn)而盡量逼近要求的頻率響應(yīng),讓其在性能上可以滿足預(yù)設(shè)的技術(shù)指標(biāo),所以數(shù)字濾波器其本質(zhì)是在Z平面尋找一個(gè)合適的H(z)函數(shù)。因?yàn)镮IR數(shù)字濾波器的單位響應(yīng)是可以無限長的,因此,數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵其實(shí)是將H(S)函數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镠(Z)函數(shù)[3]。
圖4 巴特沃斯數(shù)字帶通濾波器的幅度與相位特性曲線
圖5 切比雪夫數(shù)字帶通濾波器的幅度與相位特性曲線
下面首先實(shí)現(xiàn)基于巴特沃斯法直接進(jìn)行IIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)。巴特沃斯濾波器的幅度特性是通頻帶內(nèi)平坦,阻頻帶內(nèi)是單調(diào)下降的。用于設(shè)計(jì)階次為N,截止頻率為Wn的低通數(shù)字濾波器,截止頻率Wn取值在0~1,下面是巴特沃斯數(shù)字帶通濾波器的幅度與相位特性曲線,如圖4所示。通過分析,可以得到以下結(jié)論:巴特沃斯濾波器的幅度特性是通頻帶內(nèi)平坦,阻頻帶內(nèi)是單調(diào)下降的。
下面接著實(shí)現(xiàn)基于切比雪夫法直接設(shè)計(jì)IIR數(shù)字濾波器。切比雪夫?yàn)V波器的通頻帶是等波紋的,而在阻頻帶是單調(diào)下降的。利用cheby1函數(shù)直接設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器其波形如下,如圖5所示(其中,Ws=200Hz,Wp=100Hz,Rp=3dB,F(xiàn)s=1000Hz)。通過分析,可以得到以下結(jié)論:切比雪夫?yàn)V波器在通頻帶是等波紋的,而在阻頻帶是單調(diào)下降的。
IIR數(shù)字濾波器在諸如語音信號處理、圖像信號處理視頻信號處理以及視頻信號處理等應(yīng)用領(lǐng)域都得到了非常廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)IIR數(shù)字濾波器的工作原理,實(shí)現(xiàn)了IIR數(shù)字濾波器的快速設(shè)計(jì)方法,進(jìn)而在MATLAB軟件環(huán)境中完成了IIR數(shù)字濾波器的快速仿真設(shè)計(jì),同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中對比了濾波特性,也可以隨時(shí)改變相關(guān)參數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工作的最優(yōu)化處理。