各種濾波器的設計實現

經典濾波器和數字濾波器
　一般濾波器可以分爲經典濾波器和數字濾波器。
1、經典濾波器：假定輸入信號中的有用成分和希望去除的成分各自佔有不同的頻帶。如果信號和噪聲的頻譜相互重迭，經典濾波器無能爲力。比如 FIR 和 IIR 濾波器等。　　
2、現代濾波器：從含有噪聲的時間序列中估計出信號的某些特徵或信號本身。現代濾波器將信號和噪聲都視爲隨機信號。包括 Wiener Filter、Kalman Filter、線性預測器、自適應濾波器等
Z變換和差分方程
　　在連續系統中採用拉普拉斯變換求解微分方程，並直接定義了傳遞函數，成爲研究系統的基本工具。在採樣系統中，連續變量變成了離散量，將Laplace變換用於離散量中，就得到了Z變換。和拉氏變換一樣，Z變換可用來求解差分方程，定義Z傳遞函數成爲分析研究採樣系統的基本工具。
　　　　對於一般常用的信號序列，可以直接查表找出其Z變換。相應地，也可由信號序列的Z變換查出原信號序列，從而使求取信號序列的Z變換較爲簡便易行。

Z變換有許多重要的性質和定理：

- 線性定理
　　設a，a1，a2爲任意常數，連續時間函數f(t)，f1(t)，f2(t)的Z變換分別爲F(z)，F1(z)，F2(z)，則有
　　

- 滯後定理
　　設連續時間函數在t<0時，f(t)=0，且f(t)的Z變換爲F(z)，則有
　　
　　應用Z變換求解差分方程的一個例子：已知系統的差分方程表達式爲y(n)−0.9y(n−1)=0.05u(n) ，若邊界條件y(−1)=1，求系統的完全響應。
　　

• IIR數字濾波器的差分方程和系統函數
  
  其中ci爲零點而di爲極點。H(z)的設計就是要確定係數、或者零極點，以使濾波器滿足給定的性能指標。
• IIR數字濾波器結構
  　數字濾波器的功能本質上是將一組輸入數字序列通過一定的運算後轉變爲另一組輸出數字序列。濾波器系統函數可以表達爲多種不同的形式，每一種對應着不同的算法，也就對應着不同的實現結構。例如：
  　
  上述同一系統的三種不同描述形式就對應了不同的實現結構，或者說不同的濾波器結構可以實現相同的傳遞函數。IIR濾波器常見的結構形式有直接Ⅰ型、直接Ⅱ型（典範型）、級聯型、並聯型。通過差分方程能夠畫出包含反饋結構的數字網絡稱爲直接型。　
  
  直接Ⅰ型濾波器的網絡結構可以根據差分方程很直觀地畫出（The Direct-Form I structure implements the feed-forward terms first followed by the feedback terms）：
  
  可以看出直接Ⅰ型濾波器需要N+M個延時單元（N≥M）。直接Ⅱ型結構是對直接Ⅰ型的變型，將上面網絡的零點與極點的級聯次序互換，並將延時單元合併。實現N階濾波器只需要N個延時單元（The Direct-Form II structure uses fewer delay blocks than Direct-Form I），故稱爲典範型。

直接Ⅱ型看上去不那麼直觀，可以通過下圖進行理解。我們可以將整個濾波器系統看成A、B兩個子系統串聯而成，由於爲線性系統因此交換順序不影響最終輸出結果，傳遞函數可寫爲：

直接型優點：直接型結構簡單，用的延遲器較少（N和M中較大者的個數）；缺點：係數ak，bk對濾波器性能的控制關係不直接，因此調整不方便；具體實現濾波器時ak，bk的量化誤差將使濾波器的頻率響應產生很大的改變，甚至影響系統的穩定性。直接型結構一般用於實現低階系統。

級聯型：將系統傳遞函數H(z)因式分解爲多個二階子系統，系統函數就可以表示爲這些二階子系統傳遞函數的乘積。實現時將每個二階子系統用直接型實現，整個系統函數用二階環節的級聯實現。
　　並聯型：與級聯型類似，用部分分式展開法將系統函數表示爲二階子系統傳遞函數的和。每個二階子系統仍然用直接型實現，整個系統函數用二階環節的並聯實現。

用matble設計濾波器得到參數

在IIR濾波器設計過程中，通常利用模擬濾波器來設計數字濾波器，要先根據濾波器的性能指標設計出相應的模擬濾波器的系統函數H(s)，然後由H(s)經變換得到所需要的數字濾波器的系統函數H(z)。常用的變換方法有衝激響應不變法和雙線性變換法。下面使用MATLAB等工具直接生成數字濾波器係數：
　　在MATLAB命令行中輸入fdatool打開濾波器設計工具箱，爲了便於分析，我們先從設計一個簡單的2階低通濾波器。Design Method用於選擇IIR濾波器還是FIR濾波器，這裏我們選擇IIR濾波器，類型選擇Butterworth，當然也可以選擇其他類型，不同類型的頻率響應不同，選擇後默認的濾波器結構是直接II型。ResponseType用於選擇低通、高通、帶通、帶阻等類型，選擇低通濾波“Lowpass”。Frequency Specifications用於設置採樣頻率以及截止頻率，這裏填入200以及20，即採樣率爲200Hz，20Hz以上的頻率將被濾除掉。Fiter Order 選擇濾波器階數，爲了簡單起見，先選擇一個2階濾波器做實驗。
　　參數設置好後點擊Design filter按鈕，將按要求設計濾波器。默認生成的IIR濾波器類型是Direct-Form II,Second-Order Sections（直接Ⅱ型，每個Section是一個二階濾波器），在工具欄上點擊Filter Coefficients圖標或菜單欄上選擇Analysis→Filter Coefficients可以查看生成的濾波器係數。
　　
　　MATLAB中二階濾波器差分方程公式如下（注意反饋項符號爲負號）：　
　　
　　高階IIR濾波器的實現是採用二階濾波器級聯的方式來實現的。默認情況下，Filter Coefficients把結果分成多個2階Section顯示，其中還有增益。增益的目的是爲了保證計算的精度和系統的穩定性。選擇[edit]→[Convert to Single Section]，這時候係數變成我們熟悉的形式：
　　按照上面的公式，濾波器差分方程爲：y[n] =0.997x[n] +1.994x[n-1] + 0.997*x[n-2] - (1.994)*y[n-1] - (0.994)*y[n-2]
　　知道了差分方程的形式並通過MATLAB得到濾波器係數後很容易寫出相應的代碼來實現數字濾波，另外還有一個網站能根據設計指標直接生成C代碼：http://www-users.cs.york.ac.uk/~fisher/mkfilter/

#define NZEROS 2
#define NPOLES 2
#define GAIN   1.482463775e+01

static float xv[NZEROS+1], yv[NPOLES+1];

static void filterloop()
{ 
　　for (;;)
   {
　　　　 xv[0] = xv[1]; xv[1] = xv[2]; 
        xv[2] = next input value / GAIN;
        yv[0] = yv[1]; yv[1] = yv[2]; 
        yv[2] =   (xv[0] + xv[2]) + 2 * xv[1] + ( -0.4128015981 * yv[0]) + (  1.1429805025 * yv[1]);
        next output value = yv[2];
    }
}

原來的網址：https://www.cnblogs.com/21207-iHome/p/7059144.html
相關鏈接：ARM官方DSP庫IIR濾波器的實現(STM32)
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