滤波器基础：抗混叠
数字信号处理习题集(附答案)
第一章数字信号处理概述简答题：1．在A/D变换之前和D/A变换之后都要让信号通过一个低通滤波器，它们分别起什么作用？答：在A/D变化之前为了限制信号的最高频率，使其满足当采样频率一定时，采样频率应大于等于信号最高频率2倍的条件。
此滤波器亦称为“抗混叠”滤波器。
在D/A变换之后为了滤除高频延拓谱，以便把抽样保持的阶梯形输出波平滑化，故又称之为“平滑”滤波器。
判断说明题：2．模拟信号也可以与数字信号一样在计算机上进行数字信号处理，自己要增加一道采样的工序就可以了。
（）答：错。
需要增加采样和量化两道工序。
3．一个模拟信号处理系统总可以转换成功能相同的数字系统，然后基于数字信号处理理论，对信号进行等效的数字处理。
（）答：受采样频率、有限字长效应的约束，与模拟信号处理系统完全等效的数字系统未必一定能找到。
因此数字信号处理系统的分析方法是先对抽样信号及系统进行分析，再考虑幅度量化及实现过程中有限字长所造成的影响。
故离散时间信号和系统理论是数字信号处理的理论基础。
第二章 离散时间信号与系统分析基础一、连续时间信号取样与取样定理计算题：1．过滤限带的模拟数据时，常采用数字滤波器，如图所示，图中T 表示采样周期（假设T 足够小，足以防止混叠效应），把从)()(t y t x 到的整个系统等效为一个模拟滤波器。
（a ） 如果kHz T rad n h 101,8)(=π截止于，求整个系统的截止频率。
（b ） 对于kHz T 201=，重复（a ）的计算。
采样（T）()n h ()n x ()t x ()n y D/A理想低通Tc πω=()t y解 （a ）因为当0)(8=≥ωπωj e H rad 时，在数 — 模变换中)(1)(1)(Tj X Tj X Te Y a a j ωω=Ω=所以)(n h 得截止频率8πω=c 对应于模拟信号的角频率c Ω为8π=ΩT c因此 Hz Tf c c 6251612==Ω=π由于最后一级的低通滤波器的截止频率为Tπ，因此对T 8π没有影响，故整个系统的截止频率由)(ωj e H 决定，是625Hz 。
信号发生器频谱折叠
信号发生器频谱折叠1.引言1.1 概述信号发生器频谱折叠问题是在数字信号处理中常见的一个现象，它对信号发生器的性能和精度有着重要的影响。
频谱折叠指的是当信号的频率超过采样频率的一半时，信号的高频分量会被错误地表示为低频分量，从而导致频谱的混叠现象。
在今天的数字信号处理应用中，信号发生器扮演着至关重要的角色。
它们用于产生各种类型的信号，包括正弦波、方波、脉冲信号等。
然而，由于信号发生器的输出是离散的，其输出信号的频谱存在限制，即采样定理要求采样频率必须高于信号频谱的两倍。
然而，在实际的应用中，由于采样率的限制或信号本身的特性，频谱折叠问题可能会出现。
频谱折叠会导致信号频谱中的高频分量被错误地表示为低频分量，从而影响到信号的完整性和准确性。
这对于很多需要高精度和高稳定性的应用来说是不可忽视的。
因此，本文将重点讨论信号发生器频谱折叠问题，探讨其对信号发生器的影响以及如何避免频谱折叠问题的方法。
通过深入了解频谱折叠的概念和原因，读者将能够更好地理解信号发生器的工作原理，并在实际应用中更好地应对频谱折叠问题。
文章结构部分（1.2 文章结构）：本文将按照以下结构进行叙述：引言、正文和结论三个部分。
引言部分首先概述了本文的主题：“信号发生器频谱折叠”。
随后介绍了本文的结构，包括各个章节的大致内容和目的。
正文部分将详细探讨信号发生器的作用和频谱折叠的概念。
在信号发生器的作用部分，我们将详细介绍信号发生器在各个领域中的应用，并解释其重要性。
接下来，在频谱折叠的概念部分，我们将对频谱折叠进行定义和解释，包括其产生的原因和影响。
结论部分将总结本文的主要内容。
首先，我们将讨论频谱折叠对信号发生器的影响，包括可能引起的误差和失真。
然后，我们将提供一些解决频谱折叠问题的方法和建议，以避免潜在的影响。
通过以上结构，本文将全面介绍信号发生器频谱折叠这一主题，并为读者提供有效的解决方案和建议。
下面将详细阐述各个部分的内容。
文章1.3 目的部分的内容可以描述为：为了进一步探讨信号发生器频谱折叠问题，本文旨在分析频谱折叠对信号发生器的影响并提出相应的解决方案。
滤波器设计中的稳定性与抗混叠性能
滤波器设计中的稳定性与抗混叠性能稳定性与抗混叠性能在滤波器设计中扮演着重要的角色，对于信号处理和通信系统的性能至关重要。
本文将探讨滤波器设计中的稳定性和抗混叠性能，并介绍一些常见的设计方法和技巧。
一、引言滤波器是实现信号处理的重要工具，用于选择性地通过或阻断输入信号中的某些频率分量。
在滤波器设计中，稳定性和抗混叠性能是两个关键概念。
二、稳定性稳定性是指滤波器在输入信号有限、幅度受限的情况下，输出信号的幅度不会无限增长的性质。
滤波器的稳定性对于系统的可靠性和性能至关重要。
为了保证稳定性，滤波器的传递函数必须满足一些条件。
其中一个常见的条件是传递函数的极点必须位于单位圆内。
这些极点代表滤波器的特性和频率响应，位于单位圆内的极点意味着滤波器的输出将收敛到有限的范围内。
稳定性还可以通过频域的稳定性条件进行判断。
例如，滤波器的频率响应函数在整个频率范围内都必须是有界的，不能无限增长。
总的来说，在滤波器设计中，稳定性的保证可以通过合适的极点选取、迭代算法等方法来实现。
三、抗混叠性能抗混叠性能是指滤波器在滤除目标频率之外的频率分量时不引入失真或干扰。
在实际应用中，滤波器的输入信号通常包含多个频率分量，而滤波器只需要通过特定的频率分量，抑制其他频率分量。
为了获得良好的抗混叠性能，滤波器设计需要满足奈奎斯特采样定理，即采样频率必须大于信号中最高频率的两倍。
这是为了避免混叠现象的发生，即输入信号中的高频分量被错误地解释为低频分量，从而导致失真。
在滤波器设计中，常用的抗混叠方法包括低通滤波器的设计和采样频率的选择。
四、滤波器设计方法在滤波器设计中，有多种方法和技术可供选择，常见的有FIR滤波器和IIR滤波器。
FIR滤波器（Finite Impulse Response）是一种线性相位滤波器，其特点是稳定性好、无混叠问题、滤波器特性易于设计等。
FIR滤波器设计的关键是选取合适的滤波器系数，常见的设计方法包括窗函数法和最小二乘法。
改进的高性能CIC抗混叠滤波器
2012年第07期，第45卷 通 信 技 术 Vol.45，No.07,2012 总第247期 Communications Technology No.247,Totally改进的高性能CIC抗混叠滤波器皇甫文斌， 朱 江， 王世练（国防科学技术大学 电子科学与工程学院，湖南 长沙410073）【摘 要】这里对一种旋转锐化级联积分梳状滤波器（RSCIC，Rotated Sharpening Cascaded Integrator Comb Filter）进行了研究，RSCIC由锐化级联积分梳状滤波器（SCIC，Sharpening Cascaded Integrator Comb Filter）和旋转内插滤波器（Rotated Sinc Filter）两部分构成。
RSCIC可有效地提高传统积分梳状滤波器（CIC, Cascaded Integrator Comb Filter）的通带和阻带传输性能，特别适合采样率转化。
仿真表明，在同等条件下，RSCIC滤波器的阻带衰减性能比传统的CIC滤波器提高了22 dB，通带抗衰减性能比传统的CIC滤波器提高了0.5 dB。
【关键词】采样率转换；积分梳状滤波器；锐化级联积分梳状滤波器；旋转内插滤波器【中图分类号】TN911.72 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2012)07-0119-03 Improved High Performance CIC FilterHUANGFu Wen-bin， ZHU Jiang， WANG Shi-lian(School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology,Changsha Hunan 410073, China)【Abstract】CIC(Cascaded Integrator Comb) filter, for its simple hardware, is a most commonly-used multistate filter. However, the large distortion of the pass-band and the attenuation of the stop-band limit its applications, a new cascade structure is studied and proposed. Simulation shows that the proposed structure could improves the stop-band attenuation by 30dB as compared with the traditional CIC Filter. The new structure is quite good in the sampling rate conversion.【Key words】sample rate conversion；CIC；sharpening CIC；rotating sharpening CIC0 引言积分梳状滤波器CIC [1]结构简单，不使用乘法器，且不需要预先存储滤波器系数，是目前用于采样率转换常用的滤波器，但是，单一积分梳状滤波器通带和阻带性能相对较差，无法满足实际应用要求[2]。
滤波器基础：抗混叠
滤波器基础：抗混叠滤波是一种我们往往视为当然的常见过程。
我们在打电话时，接收器滤除其它所有信道，使我们仅仅接收到特定的信道。
当我们调节立体声系统的均衡器时，利用带通滤波器选择性增大或降低特定频带的音频信号。
滤波器在几乎所有数据采样系统中扮演着重要角色。
大多数模/数转换器(ADC)都安装有滤波器，滤除超出ADC范围的频率成分。
有些ADC在其结构本身上就具有滤波功能。
我们接下来讨论数据采样系统、滤波要求以及与混叠的关系。
背景数据采样系统能够高精度处理的最大频率成分称为其奈奎斯特极限。
采样率必须大于或等于输入信号最高频率的两倍。
如果违反该规则，在有用频带内就会出现多余或有害的信号，称之为“混叠”。
例如，为了数字化1kHz信号，要求最低采样率为2kHz。
在实际应用中，采样率通常较高，以提供一定的裕量，降低滤波要求。
为帮助理解数据采样系统和混叠，我们以传统的电影摄影为例。
在西部老片中，当马车加速时，车轮正常加速转动，然后看起来车轮速度却变慢了，再然后似乎停止了。
当马车进一步加速时，车轮看起来像在倒转。
实际上，我们知道马车没有倒走，因为其它动作都一切正常。
什么原因造成了这种现象？答案就是：帧速率不够高，不足以准确捕获车轮的转动。
为帮助理解，假设在马车车轮上贴一个看得到的标记，然后车轮转动。
然后我们按时间拍摄照片(或采样)。
由于电影摄影机通过每秒捕获一定数量的照片来捕获动作，所以本质上是数据采样系统。
就像胶片采用车轮的离散图像一样，ADC捕获的是运动电信号的一系列快照。
当马车首次加速时，采样率(电影摄影机的帧速率)远远高于车轮的转速，所以满足奈奎斯特条件。
摄像机的采样率高于车轮转速的两倍，所以能够准确描述车轮的运动，我们看到车轮加速的样子(图1a 和1b)。
在奈奎斯特极限下，我们在180度范围内看到两个点(图1c)。
人眼一般很难明确分辨这两个点的时间，这两个点同时出现，车轮表现为停止。
在这种车轮转速下，转动速率是已知的(根据采样率)，但搞不清楚转动方向。
抗混叠滤波器的工作原理
抗混叠滤波器的工作原理抗混叠滤波器（Anti-aliasing Filter）是在信号采样之前使用的一种滤波器，其主要目的是防止混叠现象的发生。
混叠是指在模拟信号采样过程中，高频成分超过了采样频率的一半，导致无法恢复原始信号，产生频谱重叠，从而引入误差和失真。
工作原理：截止频率设置：抗混叠滤波器的首要任务是屏蔽超过采样频率一半的高频成分，以阻止混叠现象的发生。
因此，滤波器必须具备适当的截止频率，将原始信号的频率范围限制在一半采样频率之内。
滤波特性：抗混叠滤波器通常采用低通滤波器的形式，其频率响应在截止频率以下具有较高的传递函数增益，并在截止频率以上迅速下降。
这样可以有效地阻止高频成分的传递，从而减少或消除混叠。
模拟滤波：在模拟信号采样之前，抗混叠滤波器将信号传递到模拟滤波器中进行滤波处理。
模拟滤波器的功能是去除输入信号中超过截止频率的高频成分，确保输入信号频谱不会超过采样频率的一半。
数字滤波：在数字信号处理中，抗混叠滤波器可以实现数字滤波器形式。
在进行模拟到数字转换（ADC）之前，在信号采样之后应用这种数字滤波器。
数字滤波器的设计通常采用离散时间系统的方法，使用差分方程、滤波器系数等进行滤波处理。
总结：抗混叠滤波器的工作原理主要是通过限制信号频率范围和滤除高频成分来防止混叠现象。
它在信号采样之前采用模拟滤波或数字滤波的方式，以确保提供给采样器的信号不包含超过采样频率的一半的高频成分。
这样能够保证采样频率能够完整地包含信号的频谱，并避免混叠带来的误差和失真。
需要注意的是，抗混叠滤波器的设计需要根据具体应用场景的采样频率和信号频率范围来确定合适的滤波器类型、截止频率和滤波特性。
cic滤波器原理详解
级联积分梳状(Cascade Integrator Comb，CIC)［1］滤波器结构简单、标准化，是高速抽取器中十分简单有效的抗混叠滤波单元，已被广泛使用于多抽样率信号处理系统中。
其组成只有积分器、加法器、寄存器，没有乘法器，使得CIC滤波器非常适合在具有较强实时性和并行处理能力的FPGA 上实现。
但是其阻带衰减和通带波纹的相互抑制限制了其滤波性能。
锐化级联积分梳状滤波器［2］、CIC 滤波器的部分锐化［3］、在CIC 滤波器级联分解的基础上级联一级余弦滤波器［4］、二级补偿CIC 滤波器( TSC －CIC)［5］、内插二阶多项式级联积分梳状滤波器(ISOP－CIC)［6］都是用来进行CIC滤波器改进的技术。
但上述CIC 滤波器的改进或只是降低了通带衰减，或只是提高了阻带衰减，或同时降低通带衰减、提高阻带衰减，但是占用硬件逻辑资源较多。
抗混叠滤波器设计问题探讨
科技 一向导
２１ 年第 ２ 期 ０２ ４
抗混叠滤波器设计问题探讨
吕彩 珍
（ 上海奥波电子有限公 司 中国 上海
【 摘
２ ０７ ） ０ ０ ２
要】 电力谐 波分析 中， 为了最大程度 地抑制 或消除频谱 混叠对动 态测控 系统的影 响， 必须利 用抗混 叠滤波器。 设计抗 混叠滤波器时不
字长 Ｎ １ ， Ｓ ＝ ／ 。依靠增 加采 样频率放宽对模 拟滤波 ＝ ０时 １ Ｂ Ｄ ” Ｌ ２ 器性 能的要求 是有 限度的． 带来 的问题是对 Ａ Ｄ Ｉ 转换 器的性 能要 求提 高， 采样数据量增 加 ， 系统 的运算 速率也必须提 高。为 了解决这 个问 题． 采用过采样 技术 １２过采样 时模拟抗混叠滤波器 的设计 ． １２１ ．．过采样技术与 ∑ △式 ＡＤ转换器 一 Ｉ 为了降低对模拟 滤波器 的技术要求 ， 中先 以 Ｄｖ Ｄ ＞） 工程 ￣Ｌ １ ＝ 的 频率采样 ， 经过 Ａ Ｄ后 ， Ｉ 再按照 １ Ｌ ， 因子抽取 ， ／ 使采样频率 降低到 ０ 模 拟滤 波器 的过渡带 ｎ ＜ ＜ ・ ， ｎ ＬＱ／ 其主要完成对高于 Ｌ 的高频 ２ ｎ， ２ 分量 的滤除。这样 的预滤波必然导致采样得到的信号在 ｎ ＜ ＜ Ｆ 内 ２ ｆｒ １ 发生混 叠。 但这部分混叠在对信号抽 取前用数字滤波器滤 除。 这样使 模拟滤 波器就容易设计和实现 采用数字滤波加模拟滤波解决频谱 混 叠 问题 ，高 阶的数字滤波器可以 由 Ｄ Ｐ编程实现 ． Ｓ Ｓ Ｄ Ｐ的运行速度 快 的特点可 以使 阶数很高 的数字低通滤波器 以级联形式实现 这种方 案 最终并不增加信号 的数据量也未加大对微处理器运算速度的要求 基 于过采 样技 术发展 起来 的 ∑一 △式 Ａ Ｄ转 换器利 用过 采样 技 Ｉ 术、 噪声整形和数字滤波 已经使 ＡＤ转换器 的分辨率高达 ２ 位 Ｉ ４ １ ． 过采样 中． ．２ ２ 模拟抗混叠滤波器的设计 通 过程 序 设 定 Ａ ７ ３ ０的采 样 频 率 ｎ ＝ ｉ ＝ ４ Ｈ ，取 ０ ： Ｄ ３６ Ｌｔ ６ｋ ｚ ２ ， ． ５ 计算各次谐 波电压和和 电流的 Ｄ Ｔ时 ． Ｆ 假定单 周期采样点 数 １８此 时取 ｎｒ１ ８ ５ ＝ ． Ｈ ， ＝ ０ ２， ＝ ２ ｘ ０ ６４ ｚ Ｌ １ 。模拟滤 波器的过渡带 ２５ Ｈ ＜ ｋ ．ｋ ｚ ｌ ２Ｈ ， ＇ ｋｚ ｋ３ 主要完成对频率 大于 Ｌ ／ ＝ ２ Ｈ 的高频信 号的滤除 此 ｎ ２３ｋ ｚ 时滤波器通带最大衰减取 ０ ，阻带最小 衰减 ： ２ １ Ｉ Ｎ — ２ １ ． １ 一 ０ ｇ（ ２￣ ０ ｇ ／ ５ （２ ） ０ｄ ， １ 一１ ２ Ｂ 抗混 叠滤波器 的阶数 ｎ ５ 可见 ＡＤ转 换器 的精度 提 ／７ ＝。 Ｉ 高了６ 倍（ ４ 精度由 １ 增 加到 １ ） 但模拟滤波器的阶数降低 １ 滤 ０ ６。 阶 除 ｎ 到Ｌ Ｄ 之间无用信 号的任务 则交给 Ａ Ｄ转换 之后 的数 字滤波 Ｉ 器完成 。 在谐波分析 中． 了克服相位误差 ． 续的数字滤波器必须采 为 后 用 Ｆ 线性相位数字滤波器 ． ｉ ｒ 本文篇幅原因不再赘述
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滤波器基础：抗混叠
在数据采样系统中，高于二分之一采样率的频率成分混叠(搬移)到有用频带。
大多数时间，混叠是有害的副作用，所以在模/数(AD)转换级之前，将欠采样的较高频率简单滤除。
但有时候，特意设计利用欠采样，混叠使得AD系统作为混频器工作。
本应用笔记讨论数据采样系统的不同滤波要求，介绍混叠以及用于抗混叠的不同类型滤波器。
滤波是一种我们往往视为当然的常见过程。
我们在打电话时，接收器滤除其它所有信道，使我们仅仅接收到特定的信道。
当我们调节立体声系统的均衡器时，利用带通滤波器选择性增大或降低特定频带的音频信号。
滤波器在几乎所有数据采样系统中扮演着重要角色。
大多数模/数转换器(ADC)都安装有滤波器，滤除超出ADC范围的频率成分。
有些ADC在其结构本身上就具有滤波功能。
我们接下来讨论数据采样系统、滤波要求以及与混叠的关系。
背景数据采样系统能够高精度处理的最大频率成分称为其奈奎斯特极限。
采样率必须大于或等于输入信号最高频率的两倍。
如果违反该规则，在有用频带内就会出现多余或有害的信号，称之为混叠。
例如，为了数字化1kHz信号，要求最低采样率为2kHz。
在实际应用中，采样率通常较高，以提供一定的裕量，降低滤波要求。
为帮助理解数据采样系统和混叠，我们以传统的电影摄影为例。
在西部老片中，当马车加速时，车轮正常加速转动，然后看起来车轮速度却变慢了，再然后似乎停止了。
当马车进一步加速时，车轮看起来像在倒转。
实际上，我们知道马车没有倒走，因为其它动作都一切正常。
什么原因造成了这种现象？答案就是：帧速率不够高，不足以准确捕获车轮的转动。
为帮助理解，假设在马车车轮上贴一个看得到的标记，然后车轮转动。
然后我们按时间拍摄照片(或采样)。
由于电影摄影机通过每秒捕获一定数量的照片来捕获动作，所以本质上是数据采样系统。
就像胶片采用车轮的离散图像一样，ADC捕获的是运动电信号的一系列快照。