【STM32F407H7的DSP教程】第34章 滤波器基础知识 (4)

数字滤波器还具有模拟滤波器不能比拟的可靠性。组成模拟滤波器的电子元件的电路特性会随着时间、温度、电压的变化而漂移,而数字电路就没有这种问题。只要在数字电路的工作环境下,数字滤波器就能够稳定可靠的工作。

由于奈奎斯特采样定理(Nyquist sampling theorem),数字滤波器的处理能力受到系统采样频率的限制。如果输入信号的频率分量包含超过滤波器1/2采样频率的分量时,数字滤波器因为数字系统的“”而不能正常工作。如果超出1/2采样频率的频率分量不占主要地位,通常的解决办法是在模数转换电路之前放置一个低通滤波器(即抗混叠滤波器)将超过的高频成分滤除。否则就必须用模拟滤波器实现要求的功能。

34.2.3 经典滤波器和数字滤波器

一般滤波器可以分为经典滤波器和数字滤波器。

经典滤波器:假定输入信号中的有用成分和希望去除的成分各自占有不同的频带。如果信号和噪声的频谱相互重迭,经典滤波器无能为力。比如FIR和IIR滤波器等。

现代滤波器:从含有噪声的时间序列中估计出信号的某些特征或信号本身。现代滤波器将信号和噪声都视为随机信号。包括Wiener Filter、Kalman Filter、线性预测器、自适应滤波器等。

34.2.4 IIR滤波器和FIR滤波器

线性移不变的数字滤波器包括无限长脉冲响应滤波器(IIR滤波器)和有限长脉冲响应滤波器(FIR滤波器)两种。这两种滤波器的系统函数可以统一以Z变换表示为:

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当M>=1时,M就是IIR滤波器的阶数,表示系统中反馈环的个数。由于反馈的存在,IIR滤波器的脉冲响应为无限长,因此得名。若A(z) = 1,则系统的脉冲响应的长度为N+1,故而被称作FIR滤波器。

IIR滤波器的优点在于,其设计可以直接利用模拟滤波器设计的成果,因为模拟滤波器本身就是无限长冲激响应的。通常IIR滤波器设计的过程如下:首先根据滤波器参数要求设计对应的模拟滤波器(如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等等),然后通过映射(如脉冲响应不变法、双线性映射等等)将模拟滤波器变换为数字滤波器,从而决定IIR滤波器的参数。IIR滤波器的重大缺点在于,由于存在反馈其稳定性不能得到保证。另外,反馈还使IIR滤波器的数字运算可能溢出。

FIR滤波器最重要的优点就是由于不存在系统极点,FIR滤波器是绝对稳定的系统。FIR滤波器还确保了线性相位,这在信号处理中也非常重要。此外,由于不需要反馈,FIR滤波器的实现也比IIR滤波器简单。FIR滤波器的缺点在于它的性能不如同样阶数的IIR滤波器,不过由于数字计算硬件的飞速发展,这一点已经不成为问题。再加上引入计算机辅助设计,FIR滤波器的设计也得到极大的简化。基于上述原因,FIR滤波器比IIR滤波器的应用更广。

34.3 总结

本章节主要介绍了滤波器方面的基础知识,帮助初学者对滤波器有一个全面的认识。

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