脉冲响应不变法及双线性换法

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1、概念讲解   利用模拟滤波器理论设计数字滤波器，也就是使数字滤波器能模仿模拟滤波器的特性，这种模仿可从不同的角度出发。脉冲响应不变法是从滤波器的脉冲响应出发，使数字滤波器的单位脉冲响应序列h(n)模仿模拟滤波器的冲击响应ha(t),使h(n)正好等于ha(t)的采样值，即h(n)=ha(nT)T为采样周期。如以Ha(s)及H（z）分别表示ha(t)的拉氏变换及h(n)的z变换，即Ha(s)=L[ha(t)]H(z)=Z[h(n)]则根据采样序列z变换与模拟信号拉氏变换的关系，得:    上式表明

2、，采用脉冲响应不变法将模拟滤波器变换为数字滤波器时，它所完成的S平面到Z平面的变换，正是以前讨论的拉氏变换到Z变换的标准变换关系，即首先对Ha(s)作周期延拓，然后再经过z=est的映射关系映射到Z平面上。   z=est的映射关系表明，S平面上每一条宽为2π/T的横带部分，都将重叠地映射到Z平面的整个全部平面上。每一横带的左半部分映射到Z平面单位圆以内，每一横带的右半部分映射到Z平面单位圆以外，jΩ轴映射在单位圆上，但jΩ轴上的每一段2π/T都对应于绕单位圆一周，如下图所示：图脉冲响应不变法的

3、映射关系   应当指出，Z=est的映射关系反映的是Ha(s)的周期延拓与H（z）的关系，而不是Ha(s)本身与H（z）的关系，因此，使用脉冲响应不变法时，从Ha(s)到H(z)并没有一个由S平面到Z平面的简单代数映射关系，即没有一个s=f(z)的代数关系式。另外，数字滤波器的频响也不是简单的重现模拟滤波器的频响，而是模拟滤波器频响的周期延拓，周期为ΩS=2π/T=2πfs，即正如第一章采样定理中所讨论的，如果模拟滤波器的频响带限于折叠频率ΩS/2以内，即Ha(jΩ)=0

4、Ω

5、≥π/T这时数字滤

6、波器的频响才能不失真地重现模拟滤波器的频响（在折叠频率以内）

7、ω

8、＜π   但任何一个实际的模拟滤波器，其频响都不可能是真正带限的，因此不可避免地存在频谱的交叠，即混淆，这时，数字滤波器的频响将不同于原模拟滤波器的频响而带有一定的失真。模拟滤波器频响在折叠频率以上衰减越大，失真则越小，这时，采用脉冲响应不变法设计的数字滤波器才能得到良好的效果。   脉冲响应不变法特别适用于用部分分式表达的传递函数，模拟滤波器的传递函数若只有单阶极点，且分母的阶数高于分子阶数N＞M，则可表达为部分分式形式：其拉氏

9、反变换为：其中u(t)为单位阶跃函数。对ha(t)采样就得到数字滤波器的单位脉冲响应序列再对h(n)取Z变换，得到数字滤波器的传递函数：第二个求和为等比级数之和，，要收敛的话，必有，所以有比较部分分式形式的Ha(s)和上式H(z)可以看到，S平面上的极点s=si,变换到Z平面上是极点,而Ha(s)与H(z)中部分分式所对应的系数不变。如果模拟滤波器是稳定的，则所有极点si都在S左半平面，即Re[si]＜0,那么变换后H(z)的极点也都在单位圆以内，即

10、

11、=＜1，因此数字滤波器保持稳定。值得注意的

12、是，这种Ha(s)到H(z)的对应变换关系，只有将Ha(s)表达为部分分式形式才成立。虽然脉冲响应不变法能保证S平面与Z平面的极点位置有一一对应的代数关系，但这并不是说整个S平面与Z平面就存在这种一一对应的关系，特别是数字滤波器的零点位置与S平面上的零点就没有一一对应关系，而是随着Ha(s)的极点si与系数Ai的不同而不同。H(ejω)是Ha(jΩ)的周期延拓（周期为fs），因Ha(jΩ)并不是带限，即在超过fs频率部分并不为0，所以就产生了混迭。当为低通或带通滤波器时，fs越大，则Ha(jΩ)

13、的下一周期相隔越远，混迭也就越小。当为带阻或高通滤波器时，Ha(jΩ)在超过fs/2频率部分全为通带，这样就不满足抽样定理，发生了完全的混迭，所以脉冲响应不变法不能设计带阻或高通滤波器。小结·在要求时域脉冲响应能模仿模拟滤波器的场合，一般使用脉冲响应不变法。·脉冲响应不变法的一个重要特点是频率坐标的变换是线性的，ω＝ΩΤ，ω与Ω是线性关系。因此如果模拟滤波的频响带限于折叠频率以内的话，通过变换后滤波器的频响可不失真地反映原响应与频率的关系。    例如线性相位的贝塞尔低通滤波器，通过脉冲响应不变

14、法得到的仍是线性相位的低通数     字滤波器。·如果Ha(s)是稳定的，即其极点在S左半平面，映射到H(Z)也是稳定的。·脉冲响应不变法的最大缺点：有频谱周期延拓效应，因此只能用于带限的频响特性，如衰减特性很好的低通或带通。而高频衰减越大，频响的混淆效应越小，至于高通和带限滤波器,由于它们在高频部分不衰减，因此将完全混淆在低频响应中。所以用脉冲响应不变法实现高通和带限滤波器时，应增加一保护滤波器，滤掉高于折叠频率以上的频带，然后再用脉冲响应不变法转换为数字滤波器，这会增加设计的复杂性和滤波器