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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流无限冲激响应数字滤波器的设计二.精品文档.6.4 无限冲激响应数字滤波器的频率变换设计法实际中通常要求的滤波器是低通、高通、带通、带阻、多带通或多带阻数字滤波器。前四种滤波器可以通过模拟低通滤波器转换得到，后两种滤波器用转换方法来设计尚需进一步研究，这里只讨论前四种。所谓原型滤波器是指截止频率为的低通滤波器。如果数字滤波器想由模拟低通滤波器转换得到，则可能有三种方法，如图6-21所示。（1）由模拟低通原型滤波器变成所需型式的模拟滤波器，然后再把它转换成数字滤波器；（2）由模拟低通滤波器直接转换成所需的数字滤波器。（3）由模拟低通滤波器先转换成
2、数字低通原型，然后再用变量代换变换成所需的数字滤波器；数字化模拟域频率转换模拟低通原型模拟低通、高通、带通、带阻数字低通、高通、带通、带阻(a)模拟-数字转换模拟低通原型数字低通、高通、带通、带阻(b)(c)数字域频率转换模拟低通原型数字低通数字低通、高通、带通、带阻数字化图6.21 设计IIR滤波器的频率变换法实际上，第二种方法是第一种方法的特例。这种方法是将第一种方法的两步合成一步，而且，在第二步中的模拟到数字域的转换采用双线性变换。即把模拟低通原型变换到模拟低通、高通、带通、带阻等滤波器的公式与用双线性变换得到相应数字滤波器的公式合并，就可直接从模拟低通原型通过一定的频率变换关系，一步完
3、成各种类型数字滤波器的设计，因而简捷便利，得到普遍采用。下面就上述三种转换方法分别予以讨论。6.4.1 先由模拟低通原型滤波器转换成所需型式的模拟滤波器，然后再把它转换成数字滤波器的方法此法中的第二步在6-2中已讨论过，既可以采用冲激不变法，也可以采用双线性变换法。但是由于冲激不变法只适用于限带滤波器的设计，不适合带阻、高通滤波器的设计，因此，一般采用的是双线性变换方法。对于高通、带阻滤波器，由于冲激响应不变法不能直接采用，或者只能在加了保护滤波器以后使用。而第一步，即由低通模拟原型到其他型式模拟滤波器的转换的方法没有讨论，所以，这是关键的一步，这种转换有各种各样的方法。下面给出一种将截止频率
4、为1（rad/s）的低通滤波器变换成另一个低通滤波器或带通、高通、带阻滤波器的一组变换关系式。一、第一步：归一化低通模拟原型到其他型式模拟滤波器的转换方法1、归一化模拟低通原型到模拟低通滤波器的转换显然可以采用函数：将模拟低通频率转换到。其中，c和2存在映射关系（如图6-22所示）。于是可有，因此，于是， 或 延拓到S域（令：），则有若，c =1；则得模拟低通原型滤波器到截止频率为2的低通滤波器的映射公式： (6-64) 令，相应的频率变换公式则为 （6-65）图6-22 低通到低通滤波器的映射 图6-23 低通到高通滤波器的映射2、归一化模拟低通原型到模拟高通滤波器的转换可采用如下函数完成模
5、拟低通到模拟高通滤波器的转换（如图6-23所示） （6-66）由图可得映射关系：可以计算得到：代入（6-65）可得：令：，延拓到S域，得若令c =1；则得模拟低通原型滤波器到截止频率为2的高通滤波器的映射公式： （6-67）令，相应的频率变换公式则为 （6-68）3、 归一化模拟低通原型到模拟带通滤波器的转换（1） 归一化模拟低通到模拟带通的映射 下列映射函数可以将模拟低通滤波器转换为模拟带通滤波器，如图6-24所示。图6-24 低通到带通滤波器的映射 （6-69）式中0是一个待定常数。由图6-24可见，若设模拟带通滤波器的上下边界频率分别为1，2，模拟低通滤波器的边界频率为c，则可得如下的映
6、射关系：代入（6-67）式可得：解得： （6-70）其中，为带通滤波器的带宽。令：，延拓到S域，得 （6-71）这里，s是模拟低通滤波器的拉普拉斯变量，而p则是模拟带通滤波器的拉普拉斯变量。0则是一个常数。式（6-71）是将截止频率为的模拟低通滤波器转换为频率分别为1，2的模拟带通滤波器。而我们一般是先设计归一化低通原型滤波器，所以还需进一步转换。（2） 归一化模拟低通原型到模拟带通的映射设低通原型滤波器的拉普拉斯变量是S1，而截止频率为的模拟低通滤波器的拉普拉斯变量是S，于是由式（6-64）可得 （6-72）将（6-71）代入（6-72）可得模拟低通原型滤波器到边界频率分别为1，2的带通滤波
7、器的映射公式 （6-73）令，代入（6-73）并取绝对值（取绝对值是为了使频率取正值）得模拟低通原型滤波器和模拟带通滤波器的频率关系： （6-74）4、 归一化图6-25 低通到带阻滤波器的映射模拟低通原型到模拟带阻滤波器的转换（1）模拟低通到模拟带阻的映射 下列映射函数可以将模拟低通滤波器转换为模拟带通滤波器，如图6-25所示。 （6-75）式中0是一个待定常数。由图6-25可见，若设模拟带阻滤波器的两个边界频率分别为1，2，模拟低通滤波器的边界频率为c，则可得如下的映射关系：代入（6-72）可得解得 （6-76）或其中，为带通滤波器的带宽。令：，延拓到S域，得 （6-77）式（6-74）是
8、将截止频率为的模拟低通滤波器转换为频率分别为1，2的模拟带阻滤波器。而我们一般是先设计归一化低通原型滤波器，所以还需进一步转换。（2）模拟低通原型到模拟带阻的映射设低通原型滤波器的拉普拉斯变量是S1，而截止频率为的模拟低通滤波器的拉普拉斯变量是S，于是由式（6-64）可得 （6-78）将（6-77）代入（6-78）可得模拟低通原型滤波器到边界频率分别为1，2的带阻滤波器的映射公式 （6-79）令，代入（6-79）并取绝对值，得模拟低通原型滤波器和模拟带阻滤波器的频率关系： （6-80）上述将模拟低通原型转换为各种模拟滤波器的变换公式示于表6-3。表6-3 低通原型滤波器到低通、带通、高通、带阻
9、滤波器的变换关系变换类型变换公式频率变换公式参数意义低通原型 低通c：实际低通滤波器的截止频率低通原型 高通c：实际高通滤波器的截止频率低通原型 带通H,L：实际带通滤波器的上下通带(3dB)截止频率低通原型 带阻H,L：实际带阻滤波器的上下通带(3dB)截止频率表中，s是低通原型滤波器的拉普拉斯变量，而p则是实际的模拟滤波器的拉普拉斯变量； 是模拟低通原型滤波器的频率变量，而则是要设计的模拟滤波器的频率变量；二、第二步：模拟滤波器转换到数字滤波器第二步将模拟滤波器转换到数字滤波器可采用6.3节所介绍的冲激不变法、阶跃不变法及双线性变换法。其中，前两种方法适合作低通滤波器、带通滤波器的设计。而
10、双线性变换法则适合各种情况。由于双线性变换法有确定的公式，当第二步采用此法时，可将两步的公式合为一个公式，这就得到了后面的第二种方法。设计步骤1、 根据要求确定数字滤波器的指标；2、 将数字指标转换成模拟频率指标；这里要注意：（1） 若采用时域变换法（冲激不变及阶跃不变法），可采用无预畸变的变换公式这里，分别是抽样频率及抽样间隔。（2） 若采用频域的双线性变换法，则采用预畸变的变换公式3、 根据表6-3的频率变换公式计算模拟低通原型滤波器的频率指标；即确定阻带截止频率。注意：在设计模拟带通滤波器或模拟带阻滤波器时，由于有上下截止频率，因此，转换成低通原型指标时会得到两个阻带截止频率，实际处理是
11、取其较小值作为低通原型滤波器的阻带截止频率（按设计原理，计算的了两个低通滤波器的3dB通带截止频率相等，因此，只考虑阻带截止频率的选择）。即：因为，按现有设计方法，模拟低通滤波器通常采用butterworth滤波器，它具有单调下降的特性，因此，取较小的频率值，此处满足阻带衰减的指标要求，在阻带其它频率（较大）处肯定也是满足指标要求的。4、 按6.3节的方法设计归一化模拟低通原型滤波器。5、 采用表6-3的公式转化成所需形式的模拟滤波器。6、 采用6.2节的方法（冲激不变、阶跃不变法、双线性变换法）将模拟滤波器转换成数字滤波器例6-7 设计一个数字带通滤波器，3dB处的通带截止频率分别为0.3和
12、0.4；阻带截止频率分别为0.2和0.5，阻带衰减要求为衰减18dB。模拟滤波器的设计要求采用巴特沃思低通原型滤波器设计，而模拟到数字的转换则采用冲激不变法。抽样间隔设为Ts=1。解：（1）依题意，可得数字指标：通带截止频率：L=0.3；H =0.4； 通带衰减：Ap=3dB；阻带截止频率：s1=0.2；s2 =0.5；阻带衰减：As=18dB；（2）模拟带通指标 由于采用冲激不变法，因此通带截止频率：L=L/Ts=0.3；H=H / Ts =0.4； 通带衰减：Ap=3dB；阻带截止频率：s1=0.2；s2 =0.5；阻带衰减：As=18dB；（3）模拟低通原型滤波器的阻带截止频率根据表6-
13、3可得因此，（4）低通原型滤波器设计 根据（6-18）式得 查表6-2可得3阶butterworth原型滤波器（5）转换成带通滤波器由表6-3可得转换公式代入得模拟带通滤波器的系统函数（6）按冲激不变法将模拟带通滤波器转换成数字带通滤波器。略例6-8，重做6-7，但是，模拟到数字的转换则采用双线性变换。解：（1）依题意，可得数字指标：通带截止频率：L=0.3；H =0.4； 通带衰减：Ap=3dB；阻带截止频率：s1=0.2；s2 =0.5；阻带衰减：As=18dB；（2）模拟带通指标 由于采用双线性变换，先求双线性变换公式，这里，取C=2/T=2则，于是，通带截止频率：； 通带衰减：Ap=3
14、dB；阻带截止频率：；阻带衰减：As=18dB；（3）模拟低通原型滤波器的阻带截止频率根据表6-3可得因此，（4）低通原型滤波器设计 根据（6-18）式得查表6-2可得3阶butterworth原型滤波器（5）转换成带通滤波器由表6-3可得转换公式代入得模拟带通滤波器的系统函数（6）采用双线性变换法将模拟带通滤波器转换成数字带通滤波器6.4.2 直接由归一化模型原型到其他数字滤波器的转换这种转换方法是把s平面到z平面的映射及z到Z的转换统一考虑，因此要求s到Z有确定的表达式。这种方法适于双线性变换法，而不适用于冲激不变方法。是将第一种方法的两步合成一步，而且，在第二步中的模拟到数字域的转换采用
15、双线性变换。这种方法可以得到直接从模拟低通原型到各种类型数字滤波器的设计公式，简捷便利，得到普遍采用。因此，下面我们重点讨论这种方法。1 归一化模拟低通原型滤波器变换成数字低通滤波器根据双线性公式可得将其模拟低通原型滤波器转换成数字低通滤波器的公式 （6-81）模拟低通原型滤波器的模拟角频率与数字低通滤波器的角频率之间的关系 （6-82）显然，若数字低通滤波器的截止频率为，则有对应的映射关系于是，可得： （6-83）2、归一化模拟低通原型滤波器变换成数字高通滤波器将双线性变换公式（6-81）代入表（6-3）中的模拟低通原型转换为模拟高通滤波器的转换公式可得 （6-84）这里，是变换常数，需确定
16、。令，得归一化模拟低通原型滤波器与数字稿通滤波器的角频率之间的关系 （6-85）由于存在映射关系于是，可得3、归一化模拟低通原型滤波器变换成数字带通滤波器将双线性变换公式（6-82）代入表（6-3）中的模拟低通原型转换为模拟带通滤波器的转换公式可得 （6-86）这里， （6-87）是变换常数，需确定。而是通过双线性变换公式将数字带通滤波器器的角频率转换而来，即代入D，E的计算公式（6-87）可得 （6-88） （6-89）令，得归一化模拟低通原型滤波器与数字稿通滤波器的角频率之间的关系 （6-91）4、归一化模拟低通原型滤波器变换成数字带阻滤波器将双线性变换公式（6-81）代入表（6-3）中的
17、模拟低通原型转换为模拟带通滤波器的转换公式可得 （6-91）这里， （6-92）是变换常数，需确定。而是通过双线性变换公式将数字带通滤波器器的角频率转换而来，即代入D1，E1的计算公式（6-92）可得 （6-93） （6-94）令，得归一化模拟低通原型滤波器与数字稿通滤波器的角频率之间的关系 （6-95）上述将归一化模拟低通原型滤波器直接转换为各种数字滤波器的变换公式可归纳示于表6-4。表6-4 归一化低通原型滤波器到低通、带通、高通、带阻数字滤波器的变换关系数字滤波器类型变换公式频率变换公式参数计算公式低通高通带通带阻表中，s是低通原型滤波器的拉普拉斯变量，而z则是实际的数字滤波器的变量；
18、是归一化模拟低通原型滤波器的角频率，而则是要设计的数字滤波器的角频率；H,L：实际带阻滤波器的上下通带(3dB)截止频率，c：实际高通滤波器的截止频率5、设计步骤（1）根据要求确定数字滤波器的指标；（2）从表（6-4）中选择相应的公式，并计算公式中的参数；（3）根据表6-4的频率变换公式计算模拟低通原型滤波器的频率指标，即确定阻带截止频率。在计算时，由于有上下截止频率，因此，转换成低通原型指标时会得到两个阻带截止频率，实际处理是取其较小值作为低通原型滤波器的阻带截止频率，即：，其中，需按表6-4的频率转换公式计算。（4）按6.3节的方法设计归一化模拟低通原型滤波器。（5）采用表6-4的公式转化
19、成所需形式的模拟滤波器。例6-9 采用本节方法重做例6-8（设计一个数字带通滤波器，3dB处的通带截止频率分别为0.3和0.4；阻带截止频率分别为0.2和0.5，阻带衰减要求为衰减18dB。模拟滤波器的设计要求采用巴特沃思低通原型滤波器设计）解：（1）依题意，可得数字指标：通带截止频率：L=0.3；H =0.4； 通带衰减：Ap=3dB；阻带截止频率：s1=0.2；s2 =0.5；阻带衰减：As=18dB；（2）变换公式的确定（3）取（4）低通原型滤波器设计 根据（6-18）式得查表6-2可得2阶butterworth原型滤波器（5）采用表6-4的公式转化成所需形式的数字带通滤波器（与例6-7
20、结果相同，但计算简单的多）例6-10 数字高通滤波器设计 高通滤波器的指标要求为：3dB截止频率为0.8，阻带截止频率0.44，阻带衰减要求为衰减15dB。模拟滤波器的设计要求采用巴特沃思低通原型滤波器设计。解（1）依题意，可写出数字指标：通带截止频率：c =0.4；通带衰减：Ap=3dB；阻带截止频率：s=0.44；阻带衰减：As=18dB；（2）变换公式的确定。 由表6-4得其中，（3） 归一化低通滤波器阻带截止频率（4）低通原型滤波器设计 根据（6-18）式得查表6-2可得2阶butterworth原型滤波器（5）采用表6-4的公式转化成所需形式的数字高通滤波器例6-11 数字带阻滤波器
21、设计带通滤波器的指标要求为：3dB截止频率分别为0.19，0.21；阻带截止频率分别为0.198，0.202；阻带衰减要求为衰减13dB。模拟滤波器的设计要求采用巴特沃思低通原型滤波器设计。解（1）依题意，可写出数字指标：通带截止频率：L=0.19；H =0.22； 通带衰减：Ap=3dB；阻带截止频率：s1=0.198；s2 =0.02；阻带衰减：As=18dB；（2）变换公式的确定。 由表6-4得其中，(3) 归一化低通滤波器阻带截止频率（4）低通原型滤波器设计 根据（6-18）式得查表6-2可得2阶butterworth原型滤波器（5）采用表6-4的公式转化成所需形式的数字高通滤波器6.
22、4.3 由模拟低通原型先转换成数字低通原型，然后再转换成所需的数字滤波器。此法中的第一步前面已讨论过，现在讨论数字原型到其他型数字滤波器的转换。一、变换函数的一般形式为了便于区分变换前后两个不同的Z平面，把变换前的Z平面定义为U平面，把变换后的Z平面定义为z平面。u到z的变换关系表示为：转换关系若用 （6-96）用表示原滤波器的系统函数，表示转换后滤波器的系统函数，这样，数字滤波器的原型变换就可以表达为则应有（6-97）1、确定变换函数G(z-1)的原则现在来讨论对变换函数G(z-1)的要求。采用该变换函数的转换应满足如下几个条件：（1） 要使一个因果稳定的低通系统变换成的新的系统应该依然是一
23、个因果稳定的系统，为此就要求在原z平面（u平面）单位圆内的点映射到新的z平面之后还在单位圆之内。（2） 其次，两个函数的频响要满足一定的要求，因此u的单位圆应映射到z的单位圆上， 用和分别表示U平面和Z平面上的数字角频率，则分别表示U平面和Z平面的单位圆，式（6-97）应满足 （6-98）（3）转换后应仍是的有理函数，则必须是的有理函数。2、变换函数G(z-1)的一般形式依据条件2，即式（6-98），则可得 （6-99） （6-100）由此可见，变换函数G(z-1)在单位圆上的幅度必须恒等于1，这种函数称为全通函数。任何一个全通函数都可以表示为（6-101）式中，i为它的极点，可以是实数，也可
24、以是共轭复数。依据条件一，为使滤波器稳定，应使（6-101）中的。N称为全通函数的阶数。显然，此式是的有理函数，满足条件3。因此，可以作为转换函数的一般形式。3、全通函数的特点（1）G(z-1)的所有零点都是其极点的共轭倒数。（2）对于N阶全通函数，当由0时，其相位函数()的变化量为N。选择合适的N和i，则可得到各类变换。 根据全通函数的这些基本特点，下面具体讨论数字域的各种原型变换。 二、数字低通到数字低通的变换1、变换函数在低通到低通的变换中，及都是低通函数，只是截止频率互不相同，因此当由0变到时，相应的也应由0变到，如图（6-26）所示。图（6-26）数字低通到数字低通的映射关系因此，根
25、据全通函数相位()变化量为N的性质，就可确定全通函数的阶数必须为1，于是，变换函数可为 （6-102）由图可见，该函数必须满足以下映射关系：因此，该函数必须满足：代入（6-102）可得 （1）若，则有：，即是实数（2）若，则有：，即，显然不满足|0 时，此变换代表的是频率压缩； 而0 则是频率扩展。低通原型的值要映射成所需要滤波器的值。当给定了之后，将其值代入式（6-105），就可计算出值， （6-106）然后把值代入（6-103），即得到变换函数。三、数字低通到数字高通的变换若将低通滤波器的频率加，则可将截止频率为c的低通滤波器转换为高通滤波器，此时高通滤波器的截止频率是+c。因此，如果在上
26、述数字低通到低通的变换中，再将z变换为-z，就将低通变换为相应的高通了，即 （6-107）上式满足(-1)=1，G(1)=-1，且有|1。显然，这时低通原型的截止频率c对应的不是c而是c+，-c则对应于高通的截止频率c。如图（6-28）所示。图6-28 低通滤波器器到高通滤波器的映射关系则求得： （6-108）四、数字低通到数字带通的变换图6-29 数字低通到数字带通的映射关系数字低通到数字低通的映射关系如图6-29所示。若带通的中心频率为c，它应该对应于低通原型的通带中心，即=0点；当带通的频率由c时，是由通带走向止带， 因此应该对应于由0；同样，当由c0 时，也是由通带走向另一边止带，它对
27、应的是低通原型的镜像部分，即相应于由0-。这样我们看到，当由0变化到时，必须相应变化2，也即全通函数的阶数N必须为2，因此，由于系数b1，b2 ，c1，c2必须是实数可证，。于是有 （6-109）显然，上式应首先满足映射关系：或：，利用上述约束以及系数d1，d2必须是实数、，上式必须取“-”号，于是 （6-110）利用映射关系，；可得（详细推导可参见数字信号处理教程（第三版）（清华大学出版社出版，程佩青） （6-111）其中， （6-112） （6-113）五、数字低通数字带阻数字低通到数字带阻的映射关系如图6-30所示。映射关系如下：图6-30 数字低通到数字带阻的映射关系这样我们看到，当由
28、0变化到时，必须相应变化2，也即全通函数的阶数N必须为2，因此，经过与带通滤波器类似的推导并利用相应的映射关系，可得 （6-114）其中， （6-115）表6-5给出了上述变换公式及的计算公式。六、具体设计方法1、给出数字滤波器的设计指标2、确定模拟滤波器的设计指标；（1）在模拟转换到数字滤波器时，若采用冲激不变法（注意，此法只能用于设计低通和带通滤波器），则采用（2）在模拟转换到数字滤波器时，若采用双线性变换法，则要用频率预畸变公式计算模拟频率指标；3、根据表6-2中的频率变换公式确定模拟低通滤波器的指标；4、设计归一化模拟低通滤波器；5、将归一化模拟低通滤波器转换为频率为的是低通滤波器6、
29、转换为截止频率为的数字低通滤波器7、采用表6-5的公式转换为相应的数字滤波器。表6-5 由截止频率为c的低通数字滤波器变换成各型数字滤波器变换类型变换公式参数计算数字低通数字低通数字低通数字高通数字低通数字带通数字低通数字带阻式中，是低通滤波器的中心频率。分别是要设计的滤波器的中心频率，通带上下截止频率。例6-12：采用“由模拟低通原型先转换成数字低通原型，然后再转换成所需的数字滤波器” 的方法，设计一数字带通滤波器。要求采用巴特沃思逼近及双线性变换处理。指标：通带起伏：-3dB，0.40.5 ；阻带衰减：-15dB，00.2， 0.7 解：1）数字指标（2）双线性变换公式采用C=2/T，可令
30、T=1，于是（3）频率指标转换6）设计模拟低通滤波器所以：采用双线性变换得到数字低通滤波器8）将数字低通滤波器转换为数字带通滤波器（略）6-5 直接法设计无限冲激响应数字滤波器 直接法可在频域和时域进行直接设计，在频域进行直接设计，目前有三种方法：z平面的简单零极点法；幅度平方函数法；频域优化设计法。我们这里主要介绍z平面的简单零极点法。一、平面简单零极点法的原理又称为零极点累试法。在确定零极点位置时要注意： (1)极点必须位于z平面单位圆内，保证数字滤波器因果稳定； (2)复数零极点必须共轭成对或取实数，保证系统函数有理式的系数是实的。数字滤波器系统函数可以表示成 （6-116）式中分别表示
31、滤波器的零点和极点。由第二章我们已经知道，零点和极点的位置完全决定了滤波器的幅度函数和相位函数，可以用选择零点和极点的位置，按照对滤波器幅度和相位的要求来设计所需要的滤波器。这种方法通常只用来设计简单的无限冲激响应数字滤波器，它具有比较清晰的物理概念，这在工程实践中用得较多，再次予以讨论。二、低通滤波器的设计 低通（高阻）滤波器。即使说其性能特点为处传输系数为零，相当于在处有一个零点，在处有一个极点，为小于1的正实数，越大，带宽越窄。所以最简单的低通滤波器的系统函数应为 （6-117）式中a可以根据带宽的要求来决定。 （6-118）函数式在式最大值如给定带宽为，取 （6-119）由式（6-10
32、6）和6-107知由此可得此为的二次方程，解之得因，所以取 （6-120）如果将式（6-117）归一化，即用除以式（6-117）则得 （6-121）例6-11：设计一个带宽为2kHz的数字滤波器，若抽样频率8倍于带宽，即，则，带入式（6-108）有所以滤波器系统函数（归一化）为也可以采用由共轭极点对组成的二阶系统来满足幅度特性的要求，其形式为 （6-122）式中r表示极点到圆心的距离，表示极点与实轴正方向的夹角，所对应的共轭极点为，如果适当的选择，可得到幅度特性极好的滤波器，但若选得过大，就会变成带通滤波器。二、高通滤波器的设计把低通滤波欺零极点位置互换，可以得到高通数字滤波器的系统函数为 （
33、6-123） （6-124）式中为高通滤波器的截止频率。当然也可以用式（6-122）的形式来实现，此时应接近于，零点改在外，即分子项变为。三、带通滤波器的设计如果把低通和高通滤波器级联，即可得到带通滤波器，其系统函数为 （6-125）式中 （6-126）1为带阻滤波器起始频率，2为带阻滤波器截止频率。带通中心频率将出现在 （6-127）处，带通滤波器也可以用二阶系统实现，此时只要取在带通的中心频率处，适当地选取r即可满足带宽的要求，此外，还应在两处各加一个零点。四、点阻（窄带阻）滤波器的设计如对点进行点阻（即陷波），则取零点，为了保证时，再加一对极点，应接近于1，则系统函数为 (6-128)它
34、实为一个二阶系统，即 (6-129)五、点通（窄带通）滤波器的设计有点阻滤波器的系统函数不难写出点通滤波器的系统函数。考虑到系统在处增益为零最好，在处加零点，系统函数为 (6-130)或 (6-131)无论点阻还是点通都可由二阶递归系统构成。由此看来，简单的无限冲激响应数字滤波器应尽量用二阶环节来实现，只要改变即可得到各种类型的简单滤波器。Z平面的简单零、极法可以直接完成零、极点的配置, 也可以通过因式分解，将滤波器的系统函数分解为一系列二阶因式的乘积， 先单独对各个二阶因式进行零、极点配置（每一个二阶因式对应一个阻带），然后将这些二阶因式级联起来就得到所需阻带特性的数字带通滤波器。后一种实现
35、方法的性能可优于前一种方法。通过二阶因式的级联实现，还可把二阶因式做成标准单元，除了分子分母的系数不同以外，所有的单元都具有相同的结构。根据所要的滤波器阻带个数，只需级联相应的二阶单元就可以设计出符合要求的滤波器。这不仅简化了零、 极点的配置， 也增加了整个设计的灵活性。因此对于要求较高的设计，一般选择后一种设计方法。 6-6 FIR与IIR滤波器的比较一、从性能上比较1. IIR滤波器系统函数的极点可位于单位圆内任何地方，可以用较少的阶数获得很高的选择特性，所用存储单元少，运算次数少，较为经济而且效率高。但是这个高效率的代价是以相位的非线性得来的。 选择性越好，非线性越严重。2. FIR滤波
36、器可以得到严格的线性相位。由于FIR滤波器系统函数的极点固定在原点，因此只能用较高的阶数达到高选择性，对于同样的滤波器设计指标，FIR滤波器所要求的阶数可以比IIR滤波器高510倍，其结果是成本变高，信号延时也较大。FIR的这些缺点是相对于非线性相位的IIR比较而言的。如果按相同的选择性和相同的线性相位要求来说，IIR滤波器必须加全通网络进行相位校正，也会加大滤波器的阶数和复杂性。所以如果相位要求严格，采用FIR滤波器在性能上和经济上都优于IIR。 二、从结构上比较l IIR必须采用递归型结构，极点位置必须在单位圆内; 否则, 系统将不稳定。此外，在这种结构中，由于运算过程中对序列的四舍五入处
37、理（有限字长效应带来的运算误差）， 有时会引起微弱的寄生振荡。l FIR滤波器主要采用非递归结构，不论在理论上还是在实际的有限精度运算中都不存在稳定性问题，运算误差也较小。 此外，FIR滤波器可以采用快速傅里叶变换算法，在相同阶数的条件下，运算速度可以快得多。 三、从设计工作上比较l IIR滤波器可以借助模拟滤波器的成果，一般都有有效的封闭函数的设计公式可供准确的计算。又有许多数据和表格可查， 设计计算的工作量比较小， 对计算工具的要求不高。l FIR滤波器设计则一般没有封闭函数的设计公式。 窗口法虽然仅仅对窗口函数可以给出计算公式，但计算通阻带衰减等仍无显式表达式。 一般，FIR滤波器设计只
38、有计算程序可循， 因此对计算工具要求较高。l IIR滤波器虽然设计简单， 但主要是用于设计具有片段常数特性的滤波器，如低、 高、带通及带阻等， 往往脱离不了模拟滤波器的格局。l FIR滤波器则要灵活的多，尤其是频率抽样设计法更容易适应各种幅度特性和相位特性的要求， 可以设计出理想的正交变换、理想微分、线性调频等各种重要网络。 因而有更大适应性和更广阔的天地。从以上简单比较我们可以看到IIR滤波器与FIR滤波器各有所长，在实际应用时要从多方面考虑来加以选择。从使用要求来看， 如对相位要求不敏感的语言通讯等， 选用IIR较为合适。而对图像信号处理、数据传输等以波形携带信息的系统，一般对线性相位要求较高，这时采用FIR滤波器较好。当然, 在实际设计中, 还应综合考虑经济上的要求以及计算工具的条件等多方面的因素。