第6章 模拟滤波器设计
数字信号处理第六章6 双线性变换法
1）线性相位模拟滤波器
非线性相位数字滤波器
2）要求模拟滤波器的幅频响应为分段常数型，不 然会产生畸变 分段常数型模拟滤波器 经变换后仍为分段常数 型数字滤波器，但临界 频率点产生畸变
1 1 / T
2 tg
2012-10-11
1
1 1 c
数字信号处理
s1T
j
1T 2
e e
2 s1T 2
e e
s1T 2
s1T 2
e
s1 T 2
e
1 e 1 e
s1T s1T
1 z 1 z
1 1
z e
s1T
s
1 z 1 z
1 1
z
1 s 1 s
数字信号处理
2012-10-11
为使模拟滤波器某一频率与数字滤波器的任一
预畸变
给定数字滤波器的截止频率 1 ，则
1 c tg
1
2
按 1设计模拟滤 波器，经双线性 变换后，即可得 到 1 为截止频率 的数字滤波器
2012-10-11
数字信号处理
6、模拟滤波器的数字化方法
H (z) H a (s) 1 z Ha c 1 1 z
频率有对应关系，引入系数 c
c tg 1T 2
1 z 1 z
1 1
s c
z
c s cs
2012-10-11
数字信号处理
2、变换常数c的选择
1）低频处有较确切的对应关系：
1T 1T 1 c tg c 2 2
s1T
《数字信号处理》课程教学大纲
《数字信号处理》课程教学大纲课程编码：课程名称：数字信号处理英文名称： Digital signal processing适用专业：物联网工程先修课程：复变函数、线性代数、信号与系统学分：2总学时：48实验（上机）学时：0授课学时：48网络学时：16一、课程简介《数字信号处理》是物联网工程专业基础必修课。
主要研究如何分析和处理离散时间信号的基本理论和方法，主要培养学生在面对复杂工程问题时的分析、综合与优化能力，是一门既有系统理论又有较强实践性的专业基础课。
课程的目的在于使学生能正确理解和掌握本课程所涉及的信号处理的基本概念、基本理论和基本分析方法，来解决物联网系统中的信号分析问题。
培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。
助力学生树立正确的价值观，培养思辨能力、工程思维和科学精神。
培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。
它既是学习相关专业课程设计及毕业设计必不可少的基础，同时也是毕业后做技术工作的基础。
二、课程目标和任务1.课程目标课程目标1（CT1）:运用时间离散系统的基本原理、离散时间傅里叶变换、Z变换、离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换(FFT)、时域采样定理和频域采样定理等工程基础知识，分析物联网领域的复杂工程问题。
培养探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感[课程思政点1]。
助力学生树立正确的价值观，培养思辨能力、工程思维和科学精神[课程思政点2]。
课程目标2 （CT2）:说明利用DFT对模拟信号进行谱分析的过程和误差分析、区分各类网络的结构特点；借助文献研究运用窗函数法设计具有线性相位的FIR数字滤波器，分析物联网领域复杂工程问题解决过程中的影响因素，从而获得有效结论的能力。
培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当[课程思政点3]。
2.课程目标与毕业要求的对应关系三、课程教学内容第一章时域离散信号与系统（1）时域离散信号表示；（2）时域离散系统；（3）时域离散系统的输入输出描述法；*（4）模拟信号数字处理方法；教学重点：数字信号处理中的基本运算方法，时域离散系统的线性、时不变性及系统的因果性和稳定性。
数字信号处理复习 (3)
式。
4、正弦型序列
x(n) sin(n )
要求：会判断正弦型序列的周期性
四、正弦序列的周期性
x(n) sin(n ) 的周期有三种情况：
2 1 、 N 是整数，则x(n)是周期序列，周期为N；
2 P 2、 是有理数，（其中P、Q为互质整数)， Q
则x(n)是周期序列，周期为P；
m
x ( m) h ( n m)
上式中，若序列x(n)和h(n)的长度分别是M和L,
则y(n)的长度为L+M-1。
三、几种常用序列 1、单位抽样序列δ(n) （1）定义式
1 (n 0) ( n) 0 (n 0)
1 (n m) ( n m) 0 (n m)
n
1.2 线性、移不变（LSI）系统 一、线性系统： 若y1(n)=T[x1(n)]、y2(n)=T[x2(n)]， 则a1 y1(n)+ a2y2(n)=T[a1x1(n)+ a2x2(n)]
例：判断下列系统是否线性系统。
y(n)=x(n)+1 y(n)=x(n+5) y(n)=x(3n)
二、移不变系统：
当n<0时，h(n)=0，则系统是因果系统。
例：下列单位抽样响应所表示的系统是否因果系统? A.h(n)=δ(n) C.h(n)= R10(n) B.h(n)=u(n) D.h(n)=e-20nu(n)
五、稳定系统 1、稳定系统的定义： 稳定（BIBO）系统是指当输入有界时，输出也有界的系统。 例：判断下列系统是否稳定系统。 y(n)=x(n-2)
二、掌握用留数法求Z反变换的方法
例：已知
X( z) 1 (1 2 z 1 )(1 1.2 z 1 )
FIR滤波器设计
第7章ＦIＲ滤波器设计第六章我们介绍了无限冲激响应(IIR)滤波器得设计方法、其中最常用得由模拟滤波器转换为数字滤波器得方法为双线性变换法,因为这种方法无混叠效应,效果较好。
但通过前面得例子我们瞧到,IIR数字滤波器相位特性不好(非线性,如图6—1１、图６－1３、图6—１５),也不易控制。
然而在现代信号处理中,例如图像处理、数据传输、雷达接收以及一些要求较高得系统中对相位特性要求较为严格,这种滤波器就无能为力了、改善相位特性得方法就是采用有限冲激响应滤波器。
本章首先对FIＲ滤波器原理及其使用函数作基本介绍,然后重点介绍窗函数法设计ＦIR滤波器,并对最优滤波器设计函数进行介绍。
7、1 FIR滤波器原理概述及滤波函数7、1、１ FＩＲ滤波器原理及设计方法分类根据第6 章对数字滤波器得介绍,我们知道ＦIＲ滤波器得传递函数为:(７-1) 可得FIR滤波器得系统差分方程为:因此,ＦＩR滤波器又称为卷积滤波器。
根据第4 章中所描述得系统频率响应,FIR滤波器得频率响应表达式为:(７—2)信号通过ＦＩR滤波器不失真条件与(6-6)式所描述得相同,即滤波器在通带内具有恒定得幅频特性与线性相位特性。
理论上可以证明(这里从略):当ＦIR滤波器得系数满足下列中心对称条件:(７-3)时,滤波器设计在逼近平直幅频特性得同时,还能获得严格得线性相位特性。
线性相位FＩR滤波器得相位滞后与群延迟在整个频带上就是相等且不变得。
对于一个Ｎ阶得线性相位ＦIR滤波器,群延迟为常数,即滤波后得信号简单地延迟常数个时间步长。
这一特性使通带频率内信号通过滤波器后仍保持原有波形形状而无相位失真、本章主要介绍得FIR数字滤波器设计方法及MAＴLＡB 信号处理工具箱提供得FIR数字滤波器设计函数,见表7—1。
由于篇幅所限,本章我们主要介绍窗函数法与最优化设计方法。
表7—１ＦIR滤波器设计得主要方法相对于ＩIR 滤波器得滤波函数,FIR数字滤波器滤波函数除了dｉmpulsｅ与ｄｓteｐ仅适用于IＩR滤波器外,其她各种函数可直接应用于FIR滤波器,只就是输入得分母多项式向量a=1。
第六章 无限冲击响应数字滤波器设计
分子分母同除Ω , 得 Ha (s) = ：
N c
1 s − sk ) ∏(Ωc Ωc k =0
N −1
因为
令λ = ΩΩc 称为归一化频率；p = jλ 称为归一化复变量
归一化巴特沃斯的传输函数为
Ha ( p) = 1
s = jΩ Ωc Ωc
∏( p − p )
k =0 k
N −1
Ha ( p) =
sk = (−1)
( jΩc ) = Ωce
1 2k −1 jπ [ + ] 2 2N
, k =1 ⋯,2N ,2
jΩ
例如，N=3时， 例如， 时
s0 =Ωce
s3 =Ωce
j 2π 3
s0
s5
s1 = −Ωc s2 =Ωce
− j 2π 3
s1
s2
s4
s3
− j 1π 3
s4 = Ωc
s5 =Ωce
Ha ( jΩ)
2
由于一般滤波器的单位冲响应为实数， 由于一般滤波器的单位冲响应为实数，其传递函数是对称 的，有：
* Ha ( jΩ) = Ha (s)Ha (−s) s= jΩ = Ha ( jΩ)Ha ( jΩ) 2
确定 Ha ( jΩ) 极、零点，并将左半S平面极点分配给 Ha (s) ， 零点，并将左半 平面极点分配给 此系统是因果稳定的。 得到滤波器的传递函数 Ha (s) ，此系统是因果稳定的。
Ha ( jΩ)
1
1 2
Ωc
巴特沃斯幅度特性和N的关系 巴特沃斯幅度特性和 的关系
Ω
3、巴特沃斯滤波器的极、零点分布 、巴特沃斯滤波器的极、 由于 H (s)H (−s) = a a 在
计算机控制技术-第6章控制系统的数据处理技术
包括传感器、信号调理电路、数据采集卡、计算机等部分。
工作原理
传感器将非电量转换为电量，信号调理电路对电量进行放 大、滤波等处理，数据采集卡将模拟信号转换为数字信号 并传输到计算机中。
数据采集过程中的关键技术
包括传感器技术、信号调理技术、模数转换技术等。
数据采集系统的性能指标
静态性能指标
实现特定功能
通过引入非线性环节实现控制系统的特定功能，如限幅、限速、自 动增益控制等。
应对不确定性
在控制系统设计中考虑不确定性因素，利用非线性处理技术提高系统 的鲁棒性和适应性。
非线性处理技术的性能评估
1 2
评估指标与方法
介绍评估非线性处理技术性能的指标和方法，如 误差分析、稳定性分析、频率响应分析等。
基于大数据的智能控制
结合大数据技术，对海量历史数据进行挖掘和分析，提取出对控制系统有益的信息和知识 ，为控制系统的设计和优化提供智能决策支持。
多源数据融合与优化
针对控制系统中的多源异构数据，采用数据融合技术，实现多源数据的有机结合和优势互 补，提高数据处理效率和准确性，为控制系统的优化提供更全面、准确的数据支持。
采用模块化设计思想，将数据采集系 统划分为多个功能模块，分别进行设 计和实现，最后进行集成和测试。
03
控制系统中的数字滤波技术
数字滤波器的原理与分类
原理
数字滤波器是一种对数字信号进行滤波处理，以去除噪声、平滑信号或提取特定频率成 分的算法或装置。它通过数学运算对输入信号进行变换，从而得到期望的输出信号。
标度变换在控制系统中的应用
01
02
03
信号幅值调整
通过标度变换调整信号的 幅值，使其适应控制系统 的输入范围。
数字信号处理课后答案+第6章(高西全丁美玉第三版)
4. 已知模拟滤波器的系统函数Ha(s)如下： (1)
H a (s) =
s+a ( s + a) 2 + b 2
(2)
b H a (s) = (s + a)2 + b 2
式中a、 b为常数， 设Ha(s)因果稳定， 试采用脉冲响应不变 法将其转换成数字滤波器H(z)。
7.2687 ×10 16 H a (s ) = 2 ( s − 2 Re[ s1 ]s + | s1 |2 )( s 2 − 2 Re[ s2 ]s + | s2 |2 ) = 7.2687 ×1016 ( s 2 + 1.6731 ×10 4 s + 4.7791 ×10 8)( s 2 +4.0394 × 4 s +4.7790 × 8 10 10 )
1⎞ ⎛ 3 ⎞ ⎟ +⎜ ⎜ 2 ⎟ ⎟ 2⎠ ⎝ ⎠
Ak 1/ 2 1/ 2 H ( z) = ∑ = + s k T −1 ( − a + jb )T −1 1− e z 1− e z 1 − e ( −a − jb )T z −1 k =1
按照题目要求， 上面的H(z)表达式就可作为该题的答案。 但在工程实际中， 一般用无复数乘法器的二阶基本节结构 来实现。 由于两个极点共轭对称， 所以将H(z)的两项通分 并化简整理， 可得
1 G( p) = 2 ( p + 0.618 p + 1)( p2 + 1.618 p + 1)( p + 1)
当然， 也可以先按教材（6.2.13）式计算出极点：
pk = e
【第6章】无限脉冲响应数字滤波器的设计解读
1 2 k 1 j ( ) 2 2N
式中k=0,1,2,…,(2N-1)
贵州大学计算机科学与信息学院
《 数 字 信 号 处 理 》
2N 个极点均匀分布在半径为 Wc 的圆上，间隔是
2/2N= /N .
为了形成稳定的滤波器，2N个极点中只取 s平面
左半面的N个极点构成Ha(s).
若W=0处幅度已归一化到1，即|Ha(j0)|=1，则
a p 10lg H a ( jW p ) ; a s 10lg H a ( jW s )
Wc称为3dB截止频率，且
2
2
2 20 lg H a ( jW c ) 3dB
低通滤波器的幅度特性
贵州大学计算机科学与信息学院
当幅度下降至 0.707 时， w=wc ，
3dB截止频率.
ap=3dB. 称 wc 为
贵州大学计算机科学与信息学院
《 数 字 信 号 处 理 》
3.数字滤波器设计方法
IIR滤波器和FIR滤波器的设计方法不同.
IIR 滤波器设计方法是借助于模拟滤波器的设计
方法进行的.
IIR 滤波器的设计步骤是：首先设计模拟滤波器
《 数 字 信 号 处 理 》
第六章 IIR数字滤波器的设计
贵州大学计算机科学与信息学院
《 数 字 信 号 处 理 》
主要内容
数字滤波器的基本概念 模拟滤波器的设计 脉冲响应不变法设计IIR数字低通滤波器 双线性变换法设计IIR数字低通滤波器 数字高通、带通、带阻滤波器的设计
贵州大学计算机科学与信息学院
得到传输函数 Ha(s) ，然后将 Ha(s) 按某种方法转 换成数字滤波器的系统函数H(z).
数字信号处理六七章练习题(含答案)
数字信号处理第四次作业（第6、7章）一、判断1.数字滤波器中低通滤波器的通频带中心位于2ℼ的整数倍处，而高通滤波器的通频带中心位于ℼ的奇数倍处。
（√）α越大，通带波纹越大，通带逼近误差越大；阻带允许的最2.通带内允许的最大衰减pα值越大，阻带波纹越小，阻带逼近误差越小。
（√）小衰减s3.S平面的左半平面中的极点映射到Z平面的单位圆内。
（√）4.FIR数字滤波器的最大优点是绝对稳定和线性相位。
（X ）线性相位FIR才有5.h(n)序列为FIR第二类线性相位并且长度为奇数时，它只能实现带通滤波器。
（√）6.窗函数法设计FIR滤波器，会引起吉布斯效应，即引起过渡带加宽以及通带和阻带内的波动。
（√）7.增加窗函数的长度，可以减少吉布斯效应的影响。
（X ）二、填空1.五种模拟低通滤波器（巴特沃斯、切比雪夫I型、切比雪夫II型、椭圆、贝塞尔），当阶数相同时，有相同的通带最大衰减和阻带允许的最小衰减情况下，巴特沃斯的过渡带最宽；满足相同的滤波器幅频响应指标下，前四种滤波器中椭圆的阶数最低。
2.从模拟滤波器转换到数字滤波器常用的2种方法是脉冲响应不变法和双线性变换法。
3. 脉冲响应不变法的缺点是有频谱混叠；优点是模拟角频率和数字角频率成线性关系ω=ΩT 。
4. 双线性变换法的优点是消除了频谱混叠，缺点是模拟角频率和数字角频率成非线性关系。
5. 要改变窗函数法设计FIR滤波器时引起的带内波动，需选择主瓣和旁瓣衰减比例大（或主瓣能量大，旁瓣幅度小）的窗函数。
三、简答1. 数字滤波器的设计步骤（间接法）答：（1）将给定的数字滤波器的技术指标，按某一变换规则转换成相应的模拟滤波器的性能指标。
（2）如要设计的不是数字低通滤波器，则需将步骤（1）中变换得到的相应（高通、带通、带阻）模拟滤波器性能指标转换为低通性能指标。
（3）设计一个过渡模拟低通滤波器。
（4）将模拟低通滤波器转换成相应类型的过渡模拟滤波器。
（5）再按照转换规则将模拟滤波器转换成数字滤波器。
数字信号处理课后答案第6章
A2 s1
比较分子各项系数可知， A1、 A2应满足方程：
A1A1s2A2
1 A2 s1
a
解之得， A1=1/2， A2=1/2， 所以
Ha
(s)
s
1/ 2 (a
jb)
s
1/ 2 (a
jb)
套用教材（6.3.4）式， 得到
H (z)
2
Ak
k 1 1 es k T z 1
1/ 2 1 e(a jb)T z 1
2． 设计一个切比雪夫低通滤波器， 要求通带截止频率 fp=3 kHz，通带最大衰减αp=0.2 dB，阻带截止频率fs=12 kHz, 阻带最小衰减αs=50 dB。 求出滤波器归一化系统函数G(p)和实 际的Ha(s)。
解: （1） 确定滤波器技术指标。 αp=0.2 dB, Ωp=2πfp=6π×103 rad/s αs=50 dB, Ωs=2πfs=24π×103 rad/s
fp=20 kHz， 阻带截止频率fs=10 kHz， fp处最大衰减为3 dB，
阻带最小衰减as=15 dB。 求出该高通滤波器的系统函数Ha(s)。
解: (1) 确定高通滤波器技术指标要求：
p=20 kHz, ap=3 dB fs=10 kHz, as=15 dB
(2) 求相应的归一化低通滤波器技术指标要求： 套用图 5.1.5中高通到低通频率转换公式②， λp=1, λs=Ωp/Ωs， 得到
sp
s p
2π 12103 2π 6103
2
将ksp和λsp值代入N的计算公式, 得
N lg17.794 4.15 lg 2
所以取N=5（实际应用中， 根据具体要求， 也可能取N=4， 指标稍微差一点， 但阶数低一阶， 使系统实现电路得到 简化）。