IIR滤波器零相位数字滤波实现及应用

0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。

3 差分数字滤波及其存在的问题

IIR数字滤波器的设计方法主要有双线性Z变换法和冲激响应不变法；FIR数字滤波器的设计方法主要有窗函数法、频率抽样法和切比雪夫逼近法等。有关数字滤波器设计的详细方法。

对于设计好的滤波器，确定出滤波器的系数，通过对差分方程式（1）或式（2）的叠代算法，可以 实现IIR滤波器或FIR滤波器的数字滤波。考虑到程序的通用性，这里就按式（1）编写一个差分滤波函数DiffFilter（b,a,x），调用参数为 三个数组，b用于存放滤波器的系数b（r）（r=0,1,…，M）；a用于存放滤波器的系数a（k）（k=0,1,…，N），且a（0）=1;x用于存放 输入信号，返回后用于存放滤波后的输出信号。如果将调用参数a均赋零值，则可实现FIR滤波器的数字滤波。

在此，用一实例进行说明。图2为某型坦克发动机转速1000rpm时，在排气口测得的噪声信号（采样点数1024,采样频率4KHz）。从信号的波形可以看出，它具有一定的周期性，主要是以发动机周期性排气产生的噪声为主。

　　图2某型坦克发动机噪声信号