34用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器-数字信号处理.ppt
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3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 我们希望能找到由s平面到z平面的一种映射关系,这种关系应保证 ①s平面的整个jΩ轴只映射为z平面单位圆一周 ②若G(s)是稳定的,由G(s)映射得到H(z)的也应该是稳定的 ③这种映射是可逆的,既能由G(s)得到H(z),也能由H(z)得到G(s)。 ④如果G(j0)=1,那么H(ej0)也应等于1 3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 满足以上4个条件的映射关系为 此关系称为双线形变换,由此关系不难求出, 3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 (1) 给出了Ω与ω的映射关系 这样,当给定了数字滤波器的技术指标ωp,ωs,αp,αs后,依据式(1)有 λp=1,λs= tan(ωs/2)/tan(ωp/2) 于是可以设计出模拟滤波器G(P),由G(P)转为G(s),再由G(s)转为H(z)时,有 3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 因此,无论是在设计模拟滤波器还是由模拟滤波器转换为数字滤波器的过程,系数 2/Ts均被约掉,因此, 则相应地 z变换的定义 给定一个离散信号x(n),n= -∞~+∞,则x(n)的z变换的定义为 式中z为一复变量 ,由于x(n) 的存在范围是从-∞~+∞,所以上式定义的z变换称为双边变换。 若x(n)的存在范围是0~+∞,那么 称为单边z变换。 z变换的定义 由于因果性信号及因果系统的抽样响应h(n)在n0时恒为零,因此实际的物理信号对应的都是单边z变换。 z变换的定义 1.拉普拉斯变换和Z变换的关系 令xs(nTs)是由连续信号经抽样得到的,即 现对xs(nTs)取拉普拉斯变换得 z变换的定义 z变换的定义 令z= 则xs(nTs)的拉普拉斯变换式就可以变成另一复变量z的变换式,Ts归一化为1,则 和定义是一样的。 拉普拉斯复变量s=σ+jΩ,式中Ω=2πf是相对连续系统及连续信号的角频率,单位为rad/s (1) (2) z变换的定义 ω为相对离散系统和离散信号的圆周频率,单位为rad/s。 这一结果说明,只要x(n)r-n符合绝对可和的收敛条件,即 则x(n)的z变换存在,这样,一个序列x(n)的z变换,又可以看成是该序列乘以一实加劝序列r -n后的傅立叶变换,即 X(z)=F [x(n)r -n] z变换的定义 若r=1, 则 这时的z变换就演变为离散序列的傅立叶变换 (DTFT) 由①,②式可得出由s平面到z平面的映射规律。 ① s平面上的复变量s是直角坐标,而z平面上的复变量z一般取极坐标形式。 ② 由②式可知,σ=0时,r=1, σ=0对应s平面的jΩ轴,而 |z|=1对应z平面上半径r为1的圆(该圆称为单位圆), 这样,s平面的jΩ映射为z平面上的单位圆。 z变换的定义 当z仅在单位圆上取值,那么z变换也演变为傅立叶变换。 当s仅在jΩ轴上取值时,拉普拉斯变换演变为傅立叶变换,即 ③σ0对应s平面的左半平面,对应的 1,这样,s平面的左半平面映射到z平面上的单位圆内,s平面的右半平面映射到z平面上的单位圆外。 z变换的定义 ④ Ts是抽样周期(或抽样间隔),fs=1/Ts是抽样频率 由ω=ΩTs=2πf/ fs 因此,当f在jΩ轴上从-∞变至+∞的过程中,每间隔fs,对应的ω从0变到2π,即在单位圆上绕了一周,所以,由s平面到z平面的映射不是单一的,这就是离散信号的傅立叶变换是周期的根本原因,ω的单位为rad/s。 3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 例:试用双线性z变换法设计一低通数字滤波器,给定技术指标是 fp=100Hz, αp=3dB, fs=300Hz,αs =20dB , 抽样频率Fs=1000Hz 解: 首先应得到角频率ω,因为2π对应Fs,所以ωp=2πfp/Fs=2π*0.1=0.2π, ωs=0.6π 3.4用双线性z变化法设计IIR数字低通滤波器 (1) 将数字滤波器
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