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IIR 滤波器零相位数字滤波实现及应用

1 引言

在动态测试信号处理过程中，滤波器是常用的测试仪器之一。滤波器 （filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯 净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路， 就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。滤波器， 顾名思义，是对波进行过滤的器件。波是一个非常广泛的物理概念，在电子 技术领域，波被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的 过程。该过程通过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称 之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值 的，所以称之为连续时间信号，它常被用于抗混滤波，以避免傅立叶变换时 在频域产生混叠，或从具有多种频率成分的复杂信号中，将感兴趣的频率成 分提取出来，而将不感兴趣的频率成分衰减掉。在传统测试仪器中，滤波器 的功能通常需要依靠硬件系统来实现。

随着数字信号处理技术的不断完善，计算机硬件技术的日新月异以及 软件技术飞速发展，测试仪器系统的设计思想发生了重大改变。部分传统的 专用测试设备会逐步被以计算机和应用软件为核心的虚拟仪器所代替［1］。 虚拟仪器的出现标志着软件即仪器（The soft is the instrument）时代的到来。

在计算机辅助测试系统（CAT，Computer Aided Test）中，以往模拟滤波器 （AF，Analog Filter）的功能，模拟滤波器可以分为无源和有源滤波器。无 源滤波器：2 种电路主要有无源元件 R、L 和 C 组成。有源滤波器：集成运 放和 R、C 组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环 电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定 的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的 工作频率难以做得很高。 可用数字滤波器来替代。数字滤波器的实现不但比 模拟滤波器容易的多，而且还能获得较理想的滤波器性能。

2 数字滤波器的时域描述与分类

对于一个线性移不变（LSI，Linear Shift Invariant）离散时间系统， 如图 1 所示，可用如下差分方程表示：y（n）+∑Nk=1a（k）y（n-k） =∑Mr=0b（r）x（n-r）（1）式中 a（k），b（r）为方程系数

图 1LSI 系统

如果 a（k），k=1，2，Λ，N 不全为零，该系统为无限冲击

响应（IIR）系统。若 a（k）均为零，并令 b（0）=1，则 y（n）

=∑Nr=1b（r）x（n-r）+x（n）（2）该系统为有限冲击响应（FIR）系 统。

由此，数字滤波器在从实现方法上，有 IIR 滤波器和 FIR 滤波器之 分。这两类滤波器无论在性能上，还是在设计方法上都有着很大的区别。数 字滤波器由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种算法或装置。数字滤 波器的功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频 谱的目的。数字滤波器是一个离散时间系统（按预定的算法，将输入离散时 间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置）。应用数字滤波器 处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和模数转换。数字 滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的两倍，其频率响应具有以 抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即 1/2 抽样频率点呈镜像对 称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经数模转换、平 滑。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成 等优点。IIR 数字滤波器与 FIR 滤波器相比，前者保留了模拟滤波器的优 点，幅频特性较好，但存在相位失真。后者相频特性较好，可实现线性相 位，但在相同指标要求下要比前者的阶数高的多。