四章节数字滤波器结构Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望1 1 数字网络的信号流图表示数字网络的信号流图表示l l信号流图的基本概念信号流图的基本概念信号流图的基本概念信号流图的基本概念1 1、定义：、定义：信号流图信号流图是一种有向图，它用带箭头的有向线段来代表一条支路，箭头的方向代表信号流动的方向，有向线段上标注出支路的传输值。支路的两个端点称为节点节点；每个节点处的信号称为节节点变量点变量，节点变量的大小等于流入节点变量之和；只有信号流出没有信号流入的节点称为源节点源节点或输入节输入节点点；只有信号流入没有信号流出的节点称为汇节点汇节点或输出节点输出节点。版权所有 违者必究2第四章第1讲1 1 数字网络的信号流图表示数字网络的信号流图表示2 2、线性时不变系统的、线性时不变系统的3 3种基本运算单元的流图形式种基本运算单元的流图形式3、基本概念、基本概念 通路通路 ：沿同一方向传输的连通支路版权所有 违者必究3第四章第1讲数字网络的信号流图表示数字网络的信号流图表示 环路环路：闭合的通路 环路增益环路增益 ： 环路中所有支路增益之积 前向通路前向通路 ：从输入节点到输出节点通过任何节点仅一次的通路 前向通路增益前向通路增益：前向通路中所有支路增益之积l l计算信号流图的梅森公式计算信号流图的梅森公式计算信号流图的梅森公式计算信号流图的梅森公式若网络的信号流图已知，其系统函数H(z)可由以下梅森公式梅森公式来计算。称为流图的特征多项式特征多项式。且=1-（所有环路增益之和）+（每两两不接触的环路增益乘积之和）-（每三三不接触的环路增益乘积之和）+ 表示第k条从源节点到输出节点的前向通路的增益。这里k代表前向通路号。k 表示去掉第k条前向通路后，剩下的流图的特征多项式。版权所有 违者必究4第四章第1讲l l信号流图的转置定理信号流图的转置定理信号流图的转置定理信号流图的转置定理数字网络的信号流图表示数字网络的信号流图表示若将信号流图中所有分支的方向反转，保持各支路的增若将信号流图中所有分支的方向反转，保持各支路的增益不变，并将网络的输入与输出交换位置，则网络的输益不变，并将网络的输入与输出交换位置，则网络的输入输出响应不变。入输出响应不变。例如，下图中的两个流图具有相同的系统函数版权所有 违者必究5第四章第1讲2 I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构l lI I R I I R 数字滤波器的结构分类数字滤波器的结构分类数字滤波器的结构分类数字滤波器的结构分类I I R I I R 数字滤波器数字滤波器数字滤波器数字滤波器直接型直接型级联型级联型转置型转置型并联型并联型直接直接型型直接直接型型版权所有 违者必究6第四章第1讲l l直接型直接型直接型直接型1 1、I I R数字滤波器的数字滤波器的直接直接 （I）型结构）型结构采用信号流图所定义的符号，直接画出差分方程对应系统的信号流图结构称为直接直接 （I）型结构）型结构。M=NI I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构版权所有 违者必究7第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构2 2、I I R数字滤波器的数字滤波器的直接直接 （）型结构）型结构将“ I I R 数字滤波器的直接数字滤波器的直接 （I）型结构）型结构”中的延时单元 尽可能减少的一种流图结构，称为直接直接 （）型结构）型结构。例如：将“ I I R 数字滤波器的直接数字滤波器的直接 （I）型结构）型结构 ”【图(a)】中间两部分的延时单元合并，得到“ I I R 数字滤波器的直接数字滤波器的直接 （）型结构）型结构 ”【图(b)】直接 型直接 型版权所有 违者必究8第四章第1讲l l级联型级联型级联型级联型I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构零点极点设 M=N , 、 为实数， 、 均共轭成对出现，故可将共轭成对的零、极点配成二次有理分式形式：或二阶节版权所有 违者必究9第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构二阶节的个数二阶节的个数L：N为偶数时，L=N/2 N为奇数时，L=【 N/2】+1“取整”例：例：N=6 时，某系统须采用 L3个“二阶节二阶节”来“级级联联”构成，其流图如下所示：这类结构称为 “ IIR滤波器级联型结构滤波器级联型结构 ”l l并联型并联型并联型并联型对 实施以下部分分式展开：版权所有 违者必究10第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构其中N=L+2P。若MN，Bk=0；若M=N，仅B0存在。若MN有：一阶节二阶节例：例：某系统采用并联结构流图如下所示：这类结构称为 “ IIR滤滤波波器器并并联联型型结结构构 ”版权所有 违者必究11第四章第1讲l l转置型转置型转置型转置型I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构根据信号流图的转置定理，可得相应的流图结构的转置转置型结构型结构。直直接接II型型结构中的转转置置型型结构版权所有 违者必究12第四章第1讲l lI I R I I R 数字滤波器几种结构的比较数字滤波器几种结构的比较数字滤波器几种结构的比较数字滤波器几种结构的比较I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构 直接直接I型型和直接直接II型型实现起来具有简单直观的特点。需要(M+N)个加法器和(M+N)个乘法器，直接II型比直接I型节省M个延时单元，在M=N的情况下，需要N个延时单元。直接性的主要缺点在于差分方程的系数ak，bk对滤波器的性能控制不直接，同时由于其高度反馈性，容易出现不稳定或产生较大误差。 级联型级联型结构的特点是每个二阶节是相互独立的，可分别通过调整各个 “ 零极点对 ” 来对滤波器性能进行较好的控制，且各二阶节的顺序可重排，能有效的减少有限字长效应。实现需要(M+N)个加法器、(M+N)个乘法器和N个延时单元。该结构应用最广泛。版权所有 违者必究13第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构 并联型并联型结构使用的加法器，乘法器，延时单元基本与级联结构相同。它的每个一阶节单独确定一个实数极点，每个二阶节确定一对共轭极点，各条支路互不影响；它只能独立的调整各极点的位置，不能单独调整零点的位置；此外，由于各基本节是并联的，故并联结构的误差比级联结构的运算误差小。 转置型转置型的性能与和它们对应的结构性能相同。l l典型例题典型例题典型例题典型例题例：例： 已知系统的传输函数为：试画出直接II型、级联型和并联型结构流图。版权所有 违者必究14第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构解：解：由此可画出直接直接II型型结构的流图 将原式写成 的有理分式，可得版权所有 违者必究15第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构解：解： 将上式写成级联的形式由此得到级联型级联型结构的流图版权所有 违者必究16第四章第1讲I I R 数字滤波器的结构数字滤波器的结构解：解： 将H(z)进行部分分式展开得：由此得到并联型并联型结构的流图版权所有 违者必究17第四章第1讲