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標(biāo)簽 > 數(shù)字濾波器
數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。
數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)濾波的方法是：用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理就是按照預(yù)先編制的程序進(jìn)行計(jì)算。數(shù)字濾波器的核心是數(shù)字信號(hào)處理器。
如果采用通用的計(jì)算機(jī)，隨時(shí)編寫程序就能進(jìn)行信號(hào)處理的工作，但處理的速度較慢。如果采用專用的計(jì)算機(jī)芯片，它是按運(yùn)算方法制成的集成電路，連接信號(hào)就能進(jìn)行處理工作，處理的速度飛快，但功能不易更改。如果采用可編程的計(jì)算機(jī)芯片，那么，裝入什么程序機(jī)器就能具有什么功能。這種可編程芯片的優(yōu)點(diǎn)很多，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的首選。
數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的。
概述
數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)濾波的方法是：用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理就是按照預(yù)先編制的程序進(jìn)行計(jì)算。數(shù)字濾波器的原理如圖所示，它的核心是數(shù)字信號(hào)處理器。
如果采用通用的計(jì)算機(jī)，隨時(shí)編寫程序就能進(jìn)行信號(hào)處理的工作，但處理的速度較慢。如果采用專用的計(jì)算機(jī)芯片，它是按運(yùn)算方法制成的集成電路，連接信號(hào)就能進(jìn)行處理工作，處理的速度飛快，但功能不易更改。如果采用可編程的計(jì)算機(jī)芯片，那么，裝入什么程序機(jī)器就能具有什么功能。這種可編程芯片的優(yōu)點(diǎn)很多，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的首選。如果是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，則需要添加模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。參考《數(shù)字信號(hào)處理》楊毅明著p.183-184，機(jī)械工業(yè)出版社2012年發(fā)行。數(shù)字濾波器是按照程序計(jì)算信號(hào)，達(dá)到濾波的目的。通過對(duì)數(shù)字濾波器的存儲(chǔ)器編寫程序，就可以實(shí)現(xiàn)各種濾波功能。對(duì)數(shù)字濾波器來說，增加功能就是增加程序，不用增加元件，不受元件誤差的影響，對(duì)低頻信號(hào)的處理也不用增加芯片的體積。用數(shù)字濾波方法可以擺脫模擬濾波器被元件限制的困擾。數(shù)字濾波器一詞出現(xiàn)在60年代中期。由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器已可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器是一個(gè)離散時(shí)間系統(tǒng)（按預(yù)定的算法，將輸入離散時(shí)間信號(hào)（對(duì)應(yīng)數(shù)字頻率）轉(zhuǎn)換為所
要求的輸出離散時(shí)間信號(hào)的特定功能裝置）。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號(hào)（對(duì)應(yīng)模擬頻率）時(shí)，首先須對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號(hào)的數(shù)字頻率（2π*f/fs，f為模擬信號(hào)的頻率，fs為采樣頻率，注意區(qū)別于模擬頻率），按照奈奎斯特抽樣定理，要使抽樣信號(hào)的頻譜不產(chǎn)生重疊，應(yīng)小于折疊頻率（ws/2=π），其頻率響應(yīng)具有以2π為間隔的周期重復(fù)特性，且以折疊頻率即ω=π點(diǎn)對(duì)稱。為得到模擬信號(hào)，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號(hào)須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在語言信號(hào)處理、圖像信號(hào)處理、醫(yī)學(xué)生物信號(hào)處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器，以及f.i.r濾波器。
特點(diǎn)
IIR數(shù)字濾波器的最通用的方法是借助于模擬濾波器的設(shè)計(jì)方法。模擬濾波器設(shè)計(jì)已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的技術(shù)和方法，有完整的設(shè)計(jì)公式，還有比較完整的圖表可以查詢，因此設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器可以充分利用這些豐富的資源來進(jìn)行。對(duì)于IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)具體步驟如下：（1）按照一定的規(guī)則將給出的數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)。（2）根據(jù)轉(zhuǎn)換后的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)模擬低通濾波器G（s）（G（s）是低通濾波器的傳遞函數(shù)）。（3）再按照一定的規(guī)則將G（s）轉(zhuǎn)換成H（z）（H（z）是數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)）。若設(shè)計(jì)的數(shù)字濾波器是低通的，上述的過程可以結(jié)束，若設(shè)計(jì)的是高通、帶通或者是帶阻濾波器，那么還需要下面的步驟：將高通、帶通或帶阻數(shù)字濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為低通模擬濾波器的技術(shù)指標(biāo)，然后設(shè)計(jì)出低通G（s），再將G（s）轉(zhuǎn)換為H（z）。IIR數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)可以寫成封閉函數(shù)的形式。IIR數(shù)字濾波器采用遞歸型結(jié)構(gòu)，即結(jié)構(gòu)上帶有反饋環(huán)路。IIR濾波器運(yùn)算結(jié)構(gòu)通常由延時(shí)、乘以系數(shù)和相加等基本運(yùn)算組成，可以組合成直接型、正準(zhǔn)型、級(jí)聯(lián)型、并聯(lián)型四種結(jié)構(gòu)形式，都具有反饋回路。由于運(yùn)算中的舍入處理，使誤差不斷累積，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生微弱的寄生振蕩。IIR數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)上可以借助成熟的模擬濾波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和橢圓濾波器等，有現(xiàn)成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)或圖表可查，其設(shè)計(jì)工作量比較小，對(duì)計(jì)算工具的要求不高。在設(shè)計(jì)一個(gè)IIR數(shù)字濾波器時(shí)，我們根據(jù)指標(biāo)先寫出模擬濾波器的公式，然后通過一定的變換，將模擬濾波器的公式轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的公式。IIR數(shù)字濾波器的相位特性不好控制，對(duì)相位要求較高時(shí)，需加相位校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)。在MATLAB下設(shè)計(jì)IIR濾波器可使用Butterworth函數(shù)設(shè)計(jì)出巴特沃斯濾波器，使用Cheby1函數(shù)設(shè)計(jì)出契比雪夫I型濾波器，使用Cheby2設(shè)計(jì)出契比雪夫II型濾波器，使用ellipord函數(shù)設(shè)計(jì)出橢圓濾波器。下面主要介紹前兩個(gè)函數(shù)的使用。與FIR濾波器的設(shè)計(jì)不同，IIR濾波器設(shè)計(jì)時(shí)的階數(shù)不是由設(shè)計(jì)者指定，而是根據(jù)設(shè)計(jì)者輸入的各個(gè)濾波器參數(shù)（截止頻率、通帶濾紋、阻帶衰減等），由軟件設(shè)計(jì)出滿足這些參數(shù)的最低濾波器階數(shù)。在MATLAB下設(shè)計(jì)不同類型IIR濾波器均有與之對(duì)應(yīng)的函數(shù)用于階數(shù)的選擇。IIR單位響應(yīng)為無限脈沖序列FIR單位響應(yīng)為有限的IIR幅頻特性精度很高，不是線性相位的，可以應(yīng)用于對(duì)相位信息不敏感的音頻信號(hào)上；FIR幅頻特性精度較之于iir低，但是線性相位，就是不同頻率分量的信號(hào)經(jīng)過FIR濾波器后他們的時(shí)間差不變。這是很好的性質(zhì)。另外有限的單位響應(yīng)也有利于對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理，便于編程，用于計(jì)算的時(shí)延也小，這對(duì)實(shí)時(shí)的信號(hào)處理很重要。
分類
數(shù)字濾波器可以按所處理信號(hào)的維數(shù)分為一維、二維或多維數(shù)字濾波器。一維數(shù)字濾波器處理的信號(hào)為單變量函數(shù)序列，例如時(shí)間函數(shù)的抽樣值。二維或多維數(shù)字濾波器處理的信號(hào)為兩個(gè)或多個(gè)變量函數(shù)序列。例如，二維圖像離散信號(hào)是平面坐標(biāo)上的抽樣值。
一維濾波器處理一維數(shù)字信號(hào)序列的算法或裝置。線性、時(shí)不變一維數(shù)字濾波器的輸出信號(hào)序列y（n）和輸入信號(hào)序列x（n）的關(guān)系由線性、常系數(shù)差分方程描述：（如圖1）相應(yīng)的Z域轉(zhuǎn)移函數(shù)圖二式中ar、bk為數(shù)字濾波器系數(shù)，Z【y（n）】和Z【x（n）】
圖二分別為輸出和輸入信號(hào)序列的Z變換。轉(zhuǎn)移函數(shù)H（z）的Z反變換稱為一維數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)，即h（n）=Z-1【H（z）】。輸出信號(hào)序列也可以表示為輸入信號(hào)序列x（n）與數(shù)字濾波器單位沖激響應(yīng)h（n）的離散褶積（如圖三）如果數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)h（n）只有有限個(gè)非零值，稱為有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器。如果單位沖激響應(yīng)具有無限
圖3多個(gè)非零值，稱為無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器。有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器一般采取非遞歸型算法結(jié)構(gòu)，因此也稱非遞歸型數(shù)字濾波器。無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器只能采取遞歸型算法結(jié)構(gòu)，故又稱遞歸型數(shù)字濾波器。
二維濾波器處理二維數(shù)字信號(hào)序列的算法或
圖4裝置。線性、時(shí)不變二維數(shù)字濾波器的輸出 y（m，n）與輸入 x（m，n）關(guān)系由兩個(gè)變量線性常系數(shù)差分方程描述：（如圖4）相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)為圖5式中，a b為濾波器系數(shù)，Z【y（m，n）】和Z【x（m，n）】分別為輸出和輸入信號(hào)序列的二維Z變換。
圖5轉(zhuǎn)移函數(shù)H（z1，z2）的二維Z反變換h（m，n）=Z-1【H（z1，z2】，稱為二維數(shù)字濾波器的單位沖激響應(yīng)。二維數(shù)字濾波器的輸出y（m，n）亦可表示為輸入信號(hào)序列x（m，n）和單位沖激響應(yīng)h（m，n）的二維離散褶積（圖六）二維數(shù)字濾波器對(duì)單位沖激響應(yīng)亦分有限沖激響應(yīng)和無限沖激響應(yīng)
圖6兩類。二維有限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器為非遞歸型算法結(jié)構(gòu)，因此又稱二維非遞歸型數(shù)字濾波器。二維無限沖激響應(yīng)數(shù)字濾波器為遞歸型算法結(jié)構(gòu)，因此也稱二維遞歸型數(shù)字濾波器。
數(shù)字濾波器和模擬濾波器差別是什么？
數(shù)字濾波器和模擬濾波器差別： 1、數(shù)字濾波器 數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對(duì)輸入離散信號(hào)的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號(hào)頻譜的目的?！ ?shù)字濾波器對(duì)信號(hào)濾波的方法是：用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，處理就是按照預(yù)先編制的程序進(jìn)行計(jì)算。它的核心是數(shù)字信號(hào)處理器。 2、模擬濾波器 模擬濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，其中無源濾波器由R、L、C組成，有源濾波器由集成運(yùn)放和R、C組成，不需要使用電感。集成運(yùn)放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運(yùn)放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。
基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)
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基于FPGA實(shí)現(xiàn)FIR數(shù)字濾波器
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2023-10-22 標(biāo)簽：濾波器數(shù)字濾波器QPSK 895 0
什么是數(shù)字濾波器的采樣速率？和輸入信號(hào)的頻率有什么關(guān)系？
什么是數(shù)字濾波器的采樣速率？和輸入信號(hào)的頻率有什么關(guān)系？ 數(shù)字濾波器的采樣速率是指數(shù)字濾波器輸入信號(hào)的采樣頻率，也稱為采樣率，通常用赫茲（Hz）表示。在...
2023-10-20 標(biāo)簽：數(shù)字濾波器信號(hào)失真 3330 0
降低MOSFET 1/f噪聲的三種辦法是什么？? MOSFET是一種重要的半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。然而，MOSFET存在著一種非常特殊的噪...
2023-09-17 標(biāo)簽：MOSFET數(shù)字濾波器半導(dǎo)體器件 4402 0
數(shù)字濾波器（Digital Filter）是一種常見的信號(hào)處理設(shè)備，可以對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、降噪和增強(qiáng)等操作。它廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如通訊、音頻處理、圖...
2023-06-27 標(biāo)簽：處理器濾波器數(shù)字濾波器 1597 0
【新品發(fā)布】Moku:Go 儀器套件新增數(shù)字濾波器、FIR濾波器生成器、鎖相放大器功能
Moku:Go提供全面的便攜式實(shí)驗(yàn)室解決方案，不僅集成了工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需的儀器套件，還可滿足工程師和學(xué)生測試設(shè)計(jì)、研發(fā)等項(xiàng)目。LiquidInstrum...
2022-03-23 標(biāo)簽：數(shù)字濾波器頻譜分析儀波形發(fā)生器 779 0
基于遞推算術(shù)平均算法的帶阻平滑濾波器設(shè)計(jì)
信號(hào)采集是非常常見的需求，我們也總是希望采集到的數(shù)據(jù)是純凈而真實(shí)的，但這只是我們的希望。環(huán)境中存在太多的干擾信號(hào)，為了讓我們得到的數(shù)據(jù)盡可能地接近實(shí)際值...
2022-12-13 標(biāo)簽：濾波器數(shù)字濾波器算法設(shè)計(jì) 1232 0
24位SAR A/D轉(zhuǎn)換器具實(shí)現(xiàn)145dB動(dòng)態(tài)范圍
LTC2380-24 無延遲 24 位 2 Ms/s SAR A/D 轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)實(shí)時(shí)平均 1 至 65,536 個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字濾波器。
2022-08-26 標(biāo)簽：數(shù)字濾波器AD轉(zhuǎn)換器SPI接口 1028 0
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