淺談IIR濾波器零相位數(shù)字濾波實現(xiàn)及應(yīng)用

0引言

在動態(tài)測試信號處理過程中，濾波器是常用的測試儀器之一。濾波器（filter），是一種用來消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過過濾而得到純凈的直流電。對特定頻率的頻點或該頻點以外的頻率進行有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個特定頻率或消除一個特定頻率。濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件。"波"是一個非常廣泛的物理概念，在電子技術(shù)領(lǐng)域，"波"被狹義地局限于特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類傳感器的作用，被轉(zhuǎn)換為電壓或電流的時間函數(shù)，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為信號。因為自變量時間‘是連續(xù)取值的，所以稱之為連續(xù)時間信號，它常被用于抗混濾波，以避免傅立葉變換時在頻域產(chǎn)生混疊，或從具有多種頻率成分的復(fù)雜信號中，將感興趣的頻率成分提取出來，而將不感興趣的頻率成分衰減掉。在傳統(tǒng)測試儀器中，濾波器的功能通常需要依靠硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)。

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷完善，計算機硬件技術(shù)的日新月異以及軟件技術(shù)飛速發(fā)展，測試儀器系統(tǒng)的設(shè)計思想發(fā)生了重大改變。部分傳統(tǒng)的專用測試設(shè)備會逐步被以計算機和應(yīng)用軟件為核心的虛擬儀器所代替[1].虛擬儀器的出現(xiàn)標志著"軟件即儀器（The soft is the instrument）"時代的到來。在計算機輔助測試系統(tǒng)（CAT,Computer Aided Test）中，以往模擬濾波器（AF,Analog Filter）的功能，模擬濾波器可以分為無源和有源濾波器。無源濾波器：2種電路主要有無源元件R、L和C組成。有源濾波器：集成運放和R、C組成，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。集成運放的開環(huán)電壓增益和輸入阻抗均很高，輸出電阻小，構(gòu)成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但集成運放帶寬有限，所以目前的有源濾波電路的工作頻率難以做得很高。 可用數(shù)字濾波器來替代。數(shù)字濾波器的實現(xiàn)不但比模擬濾波器容易的多，而且還能獲得較理想的濾波器性能。

2數(shù)字濾波器的時域描述與分類

對于一個線性移不變（LSI,Linear Shift Invariant）離散時間系統(tǒng)，如圖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）為方程系數(shù)

　　圖1LSI系統(tǒng)

如果a（k），k=1,2,Λ，N不全為零，該系統(tǒng)為無限沖擊響應(yīng)（IIR）系統(tǒng)。若a（k）均為零，并令b（0）=1,則y（n）=∑Nr=1b（r）x（n-r）+x（n）（2）該系統(tǒng)為有限沖擊響應(yīng)（FIR）系統(tǒng)。

由此，數(shù)字濾波器在從實現(xiàn)方法上，有IIR濾波器和FIR濾波器之分。這兩類濾波器無論在性能上，還是在設(shè)計方法上都有著很大的區(qū)別。數(shù)字濾波器由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成的一種算法或裝置。數(shù)字濾波器的功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進行運算處理，以達到改變信號頻譜的目的。數(shù)字濾波器是一個離散時間系統(tǒng)（按預(yù)定的算法，將輸入離散時間信號轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時間信號的特定功能裝置）。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時，首先須對輸入模擬信號進行限帶、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應(yīng)大于被處理信號帶寬的兩倍，其頻率響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性，且以折疊頻率即1/2抽樣頻率點呈鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點。IIR數(shù)字濾波器與FIR濾波器相比，前者保留了模擬濾波器的優(yōu)點，幅頻特性較好，但存在相位失真。后者相頻特性較好，可實現(xiàn)線性相位，但在相同指標要求下要比前者的階數(shù)高的多。

3差分數(shù)字濾波及其存在的問題

IIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法主要有雙線性Z變換法和沖激響應(yīng)不變法；FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計方法主要有窗函數(shù)法、頻率抽樣法和切比雪夫逼近法等。有關(guān)數(shù)字濾波器設(shè)計的詳細方法。

對于設(shè)計好的濾波器，確定出濾波器的系數(shù)，通過對差分方程式（1）或式（2）的疊代算法，可以實現(xiàn)IIR濾波器或FIR濾波器的數(shù)字濾波。考慮到程序的通用性，這里就按式（1）編寫一個差分濾波函數(shù)DiffFilter（b,a,x），調(diào)用參數(shù)為三個數(shù)組，b用于存放濾波器的系數(shù)b（r）（r=0,1,…，M）；a用于存放濾波器的系數(shù)a（k）（k=0,1,…，N），且a（0）=1;x用于存放輸入信號，返回后用于存放濾波后的輸出信號。如果將調(diào)用參數(shù)a均賦零值，則可實現(xiàn)FIR濾波器的數(shù)字濾波。

在此，用一實例進行說明。圖2為某型坦克發(fā)動機轉(zhuǎn)速1000rpm時，在排氣口測得的噪聲信號（采樣點數(shù)1024,采樣頻率4KHz）。從信號的波形可以看出，它具有一定的周期性，主要是以發(fā)動機周期性排氣產(chǎn)生的噪聲為主。

　　圖2某型坦克發(fā)動機噪聲信號

采用窗函數(shù)（Hanning窗）法設(shè)計出某200階FIR低通濾波器，截止頻率為200Hz,分析頻率為2KHz,其幅頻曲線及相頻曲線如圖3所示。

　　圖3低通濾波器的幅頻特性和相頻特性

利用該FIR低通數(shù)字濾波器對圖2所示發(fā)動機噪聲信號進行差分濾波，濾波后的波形如圖4所示

　　圖4差分濾波后的發(fā)動機噪聲信號

對比圖3和圖4所示波形可以看出，差分濾波后，信號變得"光滑"了許多，原來的"毛刺"被濾掉了。但同時也可以看出差分濾波方法存在兩個問題：一是濾波后的信號相對與原信號而言，發(fā)生了相移；二是濾波后的信號在起始部分，波形畸變較為嚴重。在信號處理中，如果對信號的相位有特殊的要求，相移問題需要引起高度的注意。而起始部分的畸變是由于疊代過程中，沒有考慮濾波器的初始條件，剛開始點數(shù)少，沒能用到濾波器全部系數(shù)的緣故。大多情況下，這種畸變可以接受，但當(dāng)數(shù)據(jù)較短，而濾波器的階數(shù)又較高時，這種畸變會帶來較大的負面影響。

如果輸入信號為一單位脈沖信號，即

x（n）=1,n=1

0,n≠1

那么，濾波器的輸出為其脈沖響應(yīng)。本文所用200階FIR低通數(shù)字濾波器的脈沖響應(yīng)如圖5所示。
 

　　圖5濾波器的脈沖響應(yīng)3零相位數(shù)字濾波算法及其實現(xiàn)

3.1零相位數(shù)字濾波的算法

為了克服差分數(shù)字濾波中存在的上述兩個問題，可以采用一種零相位濾波的方法，該方法的基本思路是：先確定出濾波器的初始條件，然后將原序列的首尾進行擴展，把擴展后序列通過濾波器，將所得結(jié)果反轉(zhuǎn)后再次通過濾波器，最后將所得結(jié)果再反轉(zhuǎn)，并去掉首尾的擴展部分，即可得到零相位濾波后的輸出序列。本文采用四次差分濾波方式給出一種便于實現(xiàn)的詳細算法，假設(shè)輸入信號為x（n），n=0,1,…，P.

（1） 編寫差分濾波函數(shù)DiffFilter（b,a,x），調(diào)用參數(shù)如前所述。

（2） 對于IIR濾波器通常有M=N,求濾波器的初始條件e（q），q=0,1,…，N-1,這里記E=[e（0），e（1），…，e（N-1）]T,則有

　　E=1+a（1）1-1…0

　　a（2）01…0

　　MMMOM

　　a（N）00…-11× b（1）-b（0）a（0）

　　b（2）-b（0）a（1）

　　M

　　b（Nn）-b（0）a（N）（3）

（3） 對原輸入序列x（n）的首尾進行擴展，在x（n）的前面添加3N個數(shù)，在后面添加3N個數(shù)，擴展后的序列記為x′（n），n=0,1,…，P+6N.

　　x′（n）=2x（0）-x（3N-n）

　　x（n-3N）

　　2x（P）-x（P-1-（n-P-3N-n））

　　n<3N

　　3N?n<P+3N

　　P+3N?n?P+6N（4）

（4） 進行正向濾波：先用b,a和x′（n）調(diào)用DiffFilter（b,a,x）函數(shù)，計算x′（n）通過

H（z）=∑Mm=0b（m）z-m/（1+∑Mm=1a（m）z-m）（5）

的輸出y′（n），然后生成一長度為P+6N+1的單位脈沖信號h（n），用z,a和h（n）調(diào)用DiffFilter（b,a,x）函數(shù)，計算h（n）通過

H（z）=∑M-1m=0y′（0）e（m）z-m/（1+∑Mm=1a（m）z-m）（6）

的輸出y′（n），并記y（n）=y′（n）+y″（n）。

（5） 進行反向濾波：將正向濾波結(jié)果反轉(zhuǎn)，記x′（n）=y（P+6N-n），重復(fù)步驟4°，得到反向濾波后的結(jié)果。

（6） 將反向濾波的結(jié)果反轉(zhuǎn)，并刪除首尾的擴展部分，即可得到最后的濾波結(jié)果。

3.2零相位數(shù)字濾波的實現(xiàn)

Borland公司推出的Delphi編程語言，具有合理的單元化結(jié)構(gòu)、優(yōu)化的編譯環(huán)境，開發(fā)速度快、編程效率高。在實現(xiàn)同樣功能的情況下與其它語言相比，不僅編寫的代碼量少、程序可移植性強，而且還有許多優(yōu)秀的組件包可供使用。最為方便的是可以使用動態(tài)數(shù)組，隨時能夠改變數(shù)組的長度，這一點非常適合數(shù)字信號處理。

作者利用Delphi7編寫了利用雙線性Z變換法設(shè)計Butterworth型IIR濾波器和利用窗函數(shù)法設(shè)計FIR濾波器，以及差分數(shù)字濾波算法和零相位數(shù)字濾波算法應(yīng)用程序，并作為集成測試軟件平臺的一個虛擬儀器。其中零相位數(shù)字濾波算法程序設(shè)計流程如圖6所示。

　　圖6零相位數(shù)字濾波算法的流程圖

圖7所示為圖2所示信號零相位數(shù)字濾波后的波形，通過與原信號（圖2）和差分濾波后的信號（圖4）對比不難看出：零相位數(shù)字濾波后的輸出與原信號中的相位基本一致，并且起始部分沒有畸變。但不可否認，零相位數(shù)字濾波算法相對于普通差分濾波算法計算量要大許多，但以目前計算機的運算能力，計算量稍大并不是什么主要問題。

　　圖7零相位濾波后的波形

4結(jié)束語

本文介紹了一種利用四次差分濾波算法，實現(xiàn)零相位數(shù)字濾波的方法，并利用Delphi7編寫了應(yīng)用軟件。通過與普通差分濾波器的實例對比分析，說明零相位數(shù)字濾波不僅能夠避免相移，而且還能改善差分濾波起始部分的波形畸變。這一點在數(shù)字信號處理中具有重要的應(yīng)用價值。