高阶(巴特沃斯)滤波器

信息处理 过滤器 过滤器设计 无限脉冲响应 巴特沃思
2022-01-29 02:27:43

这是一个普遍的问题,我只是想理解这个概念。为什么我们应该使用高阶滤波器,而不是一阶(任何类型的滤波器,但我们可以继续讨论数字巴特沃斯滤波器)。我知道随着阶数的增加,相移会显着减少,但这是增加滤波器阶数的唯一优势还是有其他优势?

4个回答

随顺序增加自由度的数量可以在整体设计中提供更大的灵活性,以实现尽可能多的期望属性:通带、阻带中的波纹,满足对固定长度系数的需求。最值得注意的可能是保留频率和衰减频率之间过渡的锐度。分离关闭频率很有用:例如,您可能希望过滤一个51Hz 正弦波,并保持 50赫兹一。增加顺序可以帮助您在这两者之间锐减。

如下图所示,四个巴特沃斯设计,相同的截止点。不仅过渡更尖锐,而且带通、阻带中的响应随着度数的增加而变得更平坦,从而导致更好的幅度保持或衰减。

巴特沃斯设计

随着订单的增加,过滤器稳定性的问题越来越多。这是我在 Matlab 中使用 40 阶滤波器得到的结果:

巴特沃斯设计,不稳定性

如果您想增加过滤器的“选择性”,我建议使用 Papoulis-Legendre 过滤器而不是 Butterworth。它是在截止时呈现最陡峭斜率的行为。

当使用滤波器时,我们通常会设计一种特定类型的滤波器:低通、高通或带通。该设计假设理想滤波器在通带中具有单位增益,在阻带中具有零增益。

低阶过滤器不能很好地近似那个“砖墙”。高阶滤波器做得更好。

请参阅此页面,该页面显示了理想的低通滤波器以及更高阶如何更好地逼近它。

在此处输入图像描述

当您研究滤波器和零极点位置的设计时,您的教授是否指出某些极点位置非常接近虚轴?

如果是这样,那么您可能还会意识到这些极点代表了非常高的 Q 电路设计。如果使用模拟滤波器完成,那么实际问题是尝试实现没有振荡的高 Q 电路。订单大于 5 几乎是不可能的。

如果使用数字滤波器完成(在 40 阶滤波器的示例中肯定是这样做的),那么问题仍然归结为稳定性 - 数字答案往往“爆炸”。

请注意,高 Q 电路将信号放大到非常高的值,因此 S/N 可能会成为一个问题,信号的整体幅度等。其中一些问题可以通过适当安排二阶部分来缓解,但生活并不容易. 此外,更高的电路复杂性将使您的整体成本更高。

我会研究二阶电路,因为到目前为止它们确实可以胜过一阶电路,并且在大多数应用中或多或少地为您提供所需的一切。