第九章_数字滤波器的分类及结构

数字滤波器的分类方法数字滤波器是数字信号处理中常用的工具。

它可以通过对数字信号进行滤波，去除噪声或者对信号进行特定频率范围的增强，从而提高信号的质量。

数字滤波器通常可以分为以下几种分类方法：时域滤波器和频域滤波器、有限冲击响应滤波器和无限冲击响应滤波器、线性滤波器和非线性滤波器。

1. 时域滤波器和频域滤波器时域滤波器是对数字信号进行时域处理的滤波器，其基本思路是基于时间域内信号的特征进行滤波。

常见的时域滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

时域滤波器的优点是实现简单，缺点是滤波效果受到时间分辨率的影响，对时间域内信号的变化比较敏感。

频域滤波器是对数字信号进行频域处理的滤波器，其基本思路是通过对信号进行傅里叶变换或者其他频域变换，将信号转换到频域内进行处理。

常见的频域滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

频域滤波器的优点是对信号的频域分辨率比较敏感，可以消除高频噪声，缺点是实现比较复杂。

2. 有限冲击响应滤波器和无限冲击响应滤波器有限冲击响应滤波器是一种滤波器，其冲击响应长度有限。

有限冲击响应滤波器的特点是实现简单，但是会产生一定的时域失真。

常见的有限冲击响应滤波器包括FIR滤波器。

无限冲击响应滤波器是一种滤波器，其冲击响应长度为无限。

无限冲击响应滤波器的特点是能够实现更高的滤波效果，但是实现比较复杂。

常见的无限冲击响应滤波器包括IIR滤波器。

3. 线性滤波器和非线性滤波器线性滤波器是一种将输入信号进行线性处理的滤波器。

线性滤波器的优点是实现简单，且可以通过叠加多个线性滤波器来实现更高的滤波效果。

常见的线性滤波器包括FIR滤波器和IIR滤波器。

非线性滤波器是一种将输入信号进行非线性处理的滤波器。

非线性滤波器的优点是可以实现更高的滤波效果，可以处理一些线性滤波器无法处理的信号。

常见的非线性滤波器包括中值滤波器、均值滤波器、高斯滤波器等。

通过以上的分类方法，可以更好地了解数字滤波器的特点和适用场景，选用合适的数字滤波器可以有效地提高信号质量和处理效果。

数字滤波器1. 引言数字滤波器是一种用于处理数字信号的系统，用于去除信号中的噪声或者不需要的频率成分。

在实际应用中，数字滤波器广泛应用于通信系统、音频处理、图像处理等领域。

本文将介绍数字滤波器的概念和分类，并重点讨论常见的数字滤波器设计方法。

2. 数字滤波器的概念数字滤波器是一种离散的系统，其输入和输出都是离散的信号。

数字滤波器的作用是通过对输入信号进行采样和量化，利用一定的数学算法对信号进行处理，从而实现对信号频域的控制。

数字滤波器通常由一个差分方程或者一组差分方程描述，也可以通过离散时间传输函数或者差分方程的频率响应来描述。

数字滤波器可以分为两种类型：无限脉冲响应滤波器（IIR）和有限脉冲响应滤波器（FIR）。

3. 无限脉冲响应滤波器（IIR）无限脉冲响应滤波器是一种反馈系统，具有递归性质。

其输出取决于前一个输出和当前输入，并且具有无限长度的脉冲响应。

IIR滤波器的设计方法主要包括：•构造差分方程：可以通过对连续时间滤波器进行离散化来构造差分方程。

•传递函数设计：可以通过指定所需的幅频响应和相位响应来设计传递函数。

•构造频率响应：可以根据频率响应的要求，设计滤波器的频率特性。

IIR滤波器的优点是可以实现非常窄的带通、带阻等滤波特性，但由于其递归特性，容易产生数值不稳定性和相位失真的问题。

因此，在实际应用中需要进行稳定性和相位校正的处理。

4. 有限脉冲响应滤波器（FIR）有限脉冲响应滤波器是一种非递归系统，其输出只依赖于当前输入和有限个历史输入。

FIR滤波器的设计方法主要包括：•窗口函数设计：可以根据所需的滤波特性选择合适的窗口函数，如矩形窗口、汉宁窗口等。

•频率采样：可以通过对所需频率进行采样，然后通过反傅里叶变换得到滤波器的冲激响应。

•最小二乘设计：可以通过最小化输出与期望响应之间的误差来设计FIR滤波器。

FIR滤波器的优点是具有稳定的相位特性和线性相应，且易于实现。

然而，FIR 滤波器通常需要更多的计算资源，特别是在滤波器阶数较高时。

数字滤波器的基本概念和分类数字滤波器是一种用于处理数字信号的设备或算法，可以根据需要修改或增强信号的特定频率成分。

它在诸多领域中都有着广泛的应用，如通信系统、音频处理、图像处理等。

本文将介绍数字滤波器的基本概念和分类。

一、基本概念数字滤波器是通过对输入信号的采样值应用特定的数学运算来实现的。

它模拟了模拟滤波器的功能，可以选择性地通过或抑制信号的某些频率成分。

为了更好地理解数字滤波器，我们先来了解一些相关的基本概念。

1.1 采样频率采样频率指的是在给定时间内对输入信号采样的次数。

采样频率的选择需要根据输入信号的最高频率成分来确定，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应为原信号最高频率成分的至少两倍。

1.2 采样定理奈奎斯特采样定理指出，在进行信号采样时，采样频率应为信号中最高频率成分的两倍。

以此可以避免采样失真和频率混叠。

1.3 频率响应频率响应描述了滤波器对不同频率信号的响应情况。

它通常用一个函数或曲线来表示，可以显示滤波器在不同频率下的增益或衰减情况。

二、分类数字滤波器可以根据不同的分类标准进行分类。

以下是几种常见的分类方式：2.1 按滤波器的类型分类根据滤波器在频域中的特性，可以将数字滤波器分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

- 低通滤波器：只允许低于截止频率的信号通过，用于去除高频噪声或不需要的信号成分。

- 高通滤波器：只允许高于截止频率的信号通过，用于去除低频噪声或增强高频信号。

- 带通滤波器：允许某个频率范围内的信号通过，用于选择性地增强或抑制特定的频率。

- 带阻滤波器：在某个频率范围内抑制信号，用于去除特定频率成分或降低噪声。

2.2 按系统函数分类根据数字滤波器的系统函数，可以将数字滤波器分为FIR（有限脉冲响应）滤波器和IIR（无限脉冲响应）滤波器。

- FIR滤波器：具有有限长度的脉冲响应，不产生无穷大的响应。

- IIR滤波器：具有无限长度的脉冲响应，可以实现更复杂的频率响应。

数字滤波器的分类方法
数字滤波器是一种能够对数字信号进行处理和改变其频率特征
的工具，它们可以在数字信号处理领域中起到重要作用。

数字滤波器可以按照不同的分类方法进行划分，下面将介绍一些常见的分类方法。

1. 按照时域特性分类
根据数字滤波器的时域特性，可以将其分为两类：有限冲激响应（FIR）滤波器和无限冲激响应（IIR）滤波器。

FIR滤波器的时域响应是有
限长度的，因此其具有线性相位特性；而IIR滤波器的时域响应是无限长度的，因此其通常具有非线性相位特性。

2. 按照传递函数分类
根据数字滤波器的传递函数，可以将其分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

低通滤波器允许低频信号通过，而阻止高频信号；高通滤波器则允许高频信号通过，而阻止低频信号；带通滤波器能够通过一定范围内的频率信号，而阻止其他频率信号；带阻滤波器则能够阻止一定范围内的频率信号，而通过其他频率信号。

3. 按照滤波器的性质分类
根据数字滤波器的性质，可以将其分为线性滤波器和非线性滤波器。

线性滤波器是指其输出与输入之间存在线性关系，包括FIR和IIR滤波器；非线性滤波器则是指其输出与输入之间存在非线性关系，如中值滤波器等。

4. 按照实现方式分类
根据数字滤波器的实现方式，可以将其分为时域滤波器和频域滤波器。

时域滤波器是指在时域上对数字信号进行直接处理，如FIR和IIR滤波器；而频域滤波器则是指将数字信号通过傅里叶变换转化为频域信号，进而进行处理，如FFT滤波器等。

总之，数字滤波器的分类方法有很多种，不同的分类方法可以针对不同的问题和应用场景进行选择。

数字滤波器的分类方法
数字滤波器是一种将数字信号进行滤波的工具，它可以按照不同的方式进行分类。

以下是数字滤波器的分类方法：
1. 根据滤波器的传递函数分类
数字滤波器可以根据其传递函数的类型进行分类，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。

低通滤波器可以通过将高频成分滤除来保留低频信号，而高通滤波器则相反。

带通滤波器可以通过选择一定范围的频率来保留中间频率的信号，而带阻滤波器则可以通过去除某个频率范围内的信号来达到滤波效果。

2. 根据滤波器的实现方式分类
数字滤波器可以根据其实现方式进行分类，包括IIR滤波器和FIR滤波器。

IIR滤波器是基于递归式的计算方式，能够实现高效的滤波功能，但可能存在不稳定性和相位失真等问题。

FIR滤波器则是基于非递归式的计算方式，能够实现线性相位和稳定的滤波效果。

3. 根据滤波器的响应特性分类
数字滤波器可以根据其响应特性进行分类，包括线性相位和非线性相
位滤波器。

线性相位滤波器能够保持信号的相位特性，而非线性相位滤波器则可能会引入相位失真的问题。

4. 根据滤波器的滤波器系数类型分类
数字滤波器可以根据其滤波器系数的类型进行分类，包括有限字长和无限字长滤波器。

有限字长滤波器在计算中需要考虑计算精度的问题，可能会引入误差，而无限字长滤波器则不存在这个问题。

总的来说，数字滤波器的分类方法有很多种，不同的分类方法可以帮助我们更好地理解数字滤波器的特性和应用。

数字滤波器网络结构分类对于一般的数字滤波器，是按照以下两个观点进行分类的： （一）根据冲激响应函数的时间特性分为二类 1．FIR （Finite Impulse Response ）数字滤波器网络()()()∑=⎩⎨⎧≤≤=⇔-=Mi n i nM n b n h i n x b n y 0,00, 其它 特点：不存在反馈支路，其单位冲激响应为有限长。

2．IIR （Infinite Impulse Response ）数字滤波器网络()()()∑∑==---=M i Ni iii n y a i n x b n y 01特点：存在反馈支路，即信号流图中存在环路，其单位冲激响应为无限长。

（二）根据数字滤波器的实现方法和型式分为三类 1．递归型数字滤波器利用递归法实现的输出序列决定于现时的输入序列和过去任意数目的输入与输出的序列值．从下式可以清楚地看出这种数字滤波器的输出序列与下述序列与输出序列的函数关系()()()∑∑==---=M i Ni iii n y a i n x b n y 012．非递归型数字滤波器应用非递归或直接卷积的实现方法是：现在的输出序列仅是现在和过去的输入序列的函数，也就是下式中()()()∑∑==---=M i Ni iii n y a i n x b n y 010=i a 的情况，因此()()∑=-=Mi ii n x b n y 03．快速傅立叶变换（FFT ）实现数字滤波对于差分方程()()∑∑==-=-N k Mk kkk n x b k n y a 0对上式取z 变换，()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∑∑==N k k N k k k n x b Z k n y a Z 00或者写成()[]()[]r n x Z b k n y Z a Nk kN k k-=-∑∑==0根据z 变换的延迟性，可以得到()[]()z Y zk n y Z k-=-()[]()z X zk n x Z k-=-于是经过z 变换，将解差分方程问题简化成代数方程：()()∑∑==--=Nk Mk kk kk zz X b zz Y a 0解出()z Y()()()()()z X z A z B z X zazb z Y Nk kkMk kk ==∑∑=-=-0因为()()()z X z H z Y =传输函数()NN N N Nk kkMk kk za za za a zb z b z b b zazb z H ------=-=-+⋯++++⋯+++==∑∑22110221100由此可以看出，系统函数的分子和分母多项式的系数分别相当于描述系统的差分方程两边的系数。

数字滤波器的基本原理数字滤波器是一种信号处理系统，它能够对数字信号进行频率选择性处理，从而实现信号的去噪、平滑、增强等功能。

数字滤波器广泛应用于通信、音频处理、图像处理等领域，是数字信号处理中的重要组成部分。

一、数字滤波器的分类数字滤波器主要分为两大类：时域滤波器和频域滤波器。

时域滤波器是通过对信号的时域波形进行加权求和得到滤波效果，常见的时域滤波器包括移动平均滤波器、中值滤波器等。

而频域滤波器则是通过对信号进行傅里叶变换，对变换后的频谱进行滤波得到滤波效果，常见的频域滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。

二、数字滤波器的基本原理无论是时域滤波器还是频域滤波器，其基本原理都是对信号进行滤波处理。

时域滤波器通过对信号的波形进行加权求和，实现对信号的滤波作用。

而频域滤波器则是通过对信号的频谱进行滤波处理，将不需要的频率成分滤除，从而实现滤波效果。

数字滤波器的设计过程通常包括以下几个步骤：1.确定滤波器类型：根据信号的特点和需要实现的滤波效果，选择合适的滤波器类型，如低通滤波器、高通滤波器等。

2.选择滤波器参数：确定滤波器的相关参数，如截止频率、滤波器阶数等，这些参数会直接影响滤波器的性能和效果。

3.设计滤波器：根据选定的滤波器类型和参数，利用数字滤波器设计方法，设计出满足需求的数字滤波器系统。

4.滤波器实现：将设计好的数字滤波器系统实现为软件或硬件形式，用于对信号进行滤波处理。

5.滤波器性能评估：对设计好的数字滤波器系统进行性能评估，包括滤波效果、运算速度、系统稳定性等指标的评估。

三、数字滤波器的应用数字滤波器在实际应用中具有广泛的用途，常见的应用包括：1.音频处理：数字滤波器用于音频信号的去噪、均衡、混响等处理，提高音频信号的质量和清晰度。

2.图像处理：数字滤波器常用于图像的去噪、锐化、边缘检测等处理，改善图像的质量和清晰度。

3.通信系统：数字滤波器在通信系统中起到滤波、调制解调、信道均衡等作用，确保通信信号的传输质量和稳定性。