频率选择滤波器 线性时不变系统

 

通常线性是不变系统根据频率响应H(w)来改变输入信号频谱X(w),产生的频谱为:Y(w) = H(w)X(w)的输出信号

首先看下理想滤波器

给图给真相:

频率选择滤波器 线性时不变系统_第1张图片 频率选择滤波器 线性时不变系统_第2张图片

理想滤波器特性:

1、具有常数增益的带通特性,带阻部分增益为0;

2、线性相位响应。

来看下线性相位响应产生的原因:

例子:

理想滤波器频率响应:wps_clip_image-24517

(常数增益的带通特性,带阻部分增益为0)

输出信号:

wps_clip_image-13332

傅里叶变换的缩放与时移性wps_clip_image-17569

可见滤波器输出只是幅度缩放与延时 不认为是信号失真

这里提到的时移性这儿来回顾下:

时间域向右平移相当于相位减小即矢量顺时针旋转

这儿有个’单位延时‘概念  即相位对频率的倒数wps_clip_image-25791

(相频特性: wps_clip_image-24708

求到后为常数n 可见所有输出的频率分量的延迟都一样

总结:理想滤波器有线性相频特性,有常数幅频特性

理想滤波器的冲击响应:

wps_clip_image-9353

1.可见此滤波器非因果也不绝对可和 故是不稳定的,不可物理实现。(附录A B)

在Z平面放置 零点 极点 改变 频率响应 从而实现 简单滤波器设计

首先看下频率响应函数的计算(零极点方式)

频率选择滤波器 线性时不变系统_第3张图片

两边同乘e

wps_clip_image-21247

用复数形式表示 可分解出相位与幅值

频率选择滤波器 线性时不变系统_第4张图片

频率选择滤波器 线性时不变系统_第5张图片

幅值:

wps_clip_image-14943各项幅值相乘

相位:

wps_clip_image-21780

相角为相加   都是乘 wps_clip_image-15195  矢量正方向旋转

除号为wps_clip_image-12034的-1次幂  矢量反方向旋转 相角相减

Z:零点

P:极点

可见知道零极点就可以计算出频率响应

几何解释:(力推)

频率选择滤波器 线性时不变系统_第6张图片

A:极点

B:零点

L:由w确定的e

这个式子的向量表示

wps_clip_image-20142

得:

wps_clip_image-19838

频率选择滤波器 线性时不变系统_第7张图片

相角相减

幅值相除

总结:L随着频率在变

可见当频率靠近零点时 响应的幅值变小(做分母的缘故) 

当频率靠近极点时 响应的幅值变大(做分子)

在极点附近放零点可以抵消极点影响 ,反之依然

啦啦啦  数字滤波器 出现啦!!!!

了解啦零极点对频率响应的影响 来看下则么运用这些性质设计我么想要的滤波器。

重中之重:

放置零极点的基本原则:

在单位圆上 对需要 加强的频率点附近加上极点 对需要减弱的频率点附近加上零点。为啦系统可实现性 还有两条约束

1.为了使系统稳定 所有极点必须放置在单位圆内,而零点没要求 WHY?(附录C)

2.是滤波器系数是实数 所有复数的零点与极点必须以共轭复数形式出现。(相乘为实数嘛)

低通 高通 滤波器

频率选择滤波器 线性时不变系统_第8张图片

幅频 相频关系:

低通:

频率选择滤波器 线性时不变系统_第9张图片

在-1处加零点可使 角频率为wps_clip_image-17016的幅值降为零

频率选择滤波器 线性时不变系统_第10张图片

高通:低通零极点对折 (虚轴)

频率选择滤波器 线性时不变系统_第11张图片

频率选择滤波器 线性时不变系统_第12张图片

频率选择滤波器 线性时不变系统_第13张图片

至于因果性如何 推出 前两结论 (待学习)

实际滤波器特性:

频率选择滤波器 线性时不变系统_第14张图片

设计要求:

最大允许带通纹波

最大允许带阻纹波

带通截止频率

带阻截止频率

相关概念回顾

附录A

因果系统定义:

它在n时刻的输出只依赖当前与故去的输入而不依赖将来的输入

如何验证因果性:

在线性时不变系统中 因果性可以看做是冲击响应的范围的条件

来看下n=n0的输入输出关系:同样用到卷积公式:

wps_clip_image-25703

根据因果的定义展开:

频率选择滤波器 线性时不变系统_第15张图片

根具定义大于N0的输出部分应该为0;因此冲击响应h小于0部分应为0.

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总结:一个LTI系统是因果的,当且仅当它的冲击响应在N为负时为0;

因果性的必须性: 在实时信号处理中 我们无法获得输入信号的将来值

在计算当前的输出时我们只有当前与过去的输入值可用。

附录B

稳定性:

BIBO稳定:当且仅当任何有界输入X 他的输出序列Y都是有界的。

如何来验证BIBO:

X有界:

wps_clip_image-15951

通过卷积公式联系X,Y

wps_clip_image-103

绝对值不等式转换;

wps_clip_image-31298

wps_clip_image-15549

带入X的边界值

wps_clip_image-21463

我们要保证的是Y 有边界值

则:wps_clip_image-26324   冲击响应要   绝对可和

附录C

因果信号的时域行为与极点位置

因果信号的内容可用于因果LTI系统 因为 此系统的脉冲响应是因果信号

观点:因果信号的行为特性取决于他的极点的位置

极点:是指一个z值使使的X(z)为无穷

我们关注无穷而没关注0是应为 稳定性的定义(BIBO) 要有限要收敛 不可无穷。

无穷与有限只是一步之隔,来看下

Z变化的定义;

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频率选择滤波器 线性时不变系统_第16张图片

当极点>1时这不符合BIBO,不是我们想要的 无界导致数字系统的丄溢。

极点离原点越近 衰减越快

这里给出两个例子:

频率选择滤波器 线性时不变系统_第17张图片

频率选择滤波器 线性时不变系统_第18张图片

附录D

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