数字信号处理——第八讲(教案)_数字信号处理教案

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第八讲（3.6节 离散时间LTI系统的Z域分析 3.7节 梳状滤波器、全通滤波器和最小相位系统）

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1、回顾第七讲内容：

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2、本节内容概要：

系统函数的极点分布与系统因果性和稳定性的关系

系统函数的零极点分布对系统频率响应特性的影响

梳状滤波器 全通滤波器 最小相位系统 本章小结 本章作业

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 系统函数的极点分布与系统因果性和稳定性的关系

在离散时间LTI系统的时域分析中（参见2.4节）已经证明：因果系统的充分必要条件是其单位脉冲响应hn满足

hn0, n0

(3.6.10)而稳定系统的充分必要条件是其单位脉冲响应hn绝对可和，即

nhn

(3.6.11)当系统的单位脉冲响应hn0（n0）时，则其系统函数Hz的收敛域一定包含点，即收敛域是某个圆的外部，表示为Rxz。因为收敛域中不含极点，所以因果系统其系统函数Hz的极点分布在某个圆内，收敛域是这个圆的外部。

《数字信号处理》教案——臧博当系统的单位脉冲响应hn满足绝对可和的条件时，根据(3.2.3)式其DTFT存在，即

HejDTFThn

存在。由序列的Z变换与DTFT的关系，即

HejHz当序列hn的Hejzej

存在时，其Hz的收敛域一定包含单位圆。由此得出结论：稳定系统的系统函数Hz的收敛域包含单位圆，而收敛域中没有极点。

如果系统是因果稳定系统，则要求同时满足因果性和稳定性的条件，即系统的系统函数Hz的收敛域是包含单位圆的外部，表示为

rz,0r1

所以，因果稳定系统的系统函数Hz的所有极点一定分布在单位圆内。

例3.6.1 已知离散时间LTI系统的系统函数为

1a2，a1，a为实常数 Hz211aazaz试分析该系统的因果性和稳定性。

解：系统函数Hz的极点为p1a和p2a1,如图3.4.4所示（参见例题3.4.11）。针对三种可能的收敛域，分别讨论系统的因果性和稳定性。

(1)当收敛域为a1z时，Hz的极点在半径为a的圆的内部，对应的系统是

1因果系统，但由于收敛域不包含单位圆，因此系统是不稳定系统。系统的单位脉冲响应为

hnaannun

它是一个因果序列，但不收敛。

(2)当收敛域为0za时，Hz的极点在半径为a的圆的外部，且收敛域不包含单 位圆，对应的系统是非因果且不稳定的系统。系统的单位脉冲响应为

hnananun1

这是一个非因果且不收敛的序列。

(3)当收敛域aza1时，极点p1a在半径为a的圆内，而极点p2a1在半径为a1的圆外，即该圆的外部不是收敛域，对应的系统是一个非因果系统，但由于收敛域包含单位圆，因此它是稳定系统。系统的单位脉冲响应为

hnna

《数字信号处理》教案——臧博这是一个收敛的双边序列。

最后说明，因果稳定的系统是物理可实现的稳定系统。如果系统是非因果的但是稳定的系统，如例3.6.1中的（3），严格讲它是物理不可实现的系统。但是在数字信号处理中，利用数字系统的存储功能，是可以近似实现的。基本方法是将非因果的单位脉冲响应hn，从nN到nN截取一段并存储，表示为h2Nn；把h2Nn作为具体实现系统的单位脉冲响应参与运算；运算的结果即系统的输出在时间上有所延迟。N愈大，h2Nn所表示的系统愈接近原hn表示的系统。这种非因果但稳定系统的数字实现，是数字信号处理技术优于模拟信号处理技术的又一体现。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 系统函数的零极点分布对系统频率响应特性的影响

有理系统函数Hz经因式分解后，一般可表示为

HzA1zz1iM1pz1kk1i1N

(3.6.12)式中，Ab0a0,当a01时，Ab0；若Hz的零点zicii1,2,M，极点pkdkk1,2,N，则

HzA1cz1iM1dz1kk1i1N

(3.6.13)该式说明，除了反映系统幅度增益的比例常数A以外，整个系统函数可以由它的全部零点、极点唯一确定。

用零点和极点来表示系统函数的优点之一是它引导出一种获得系统频率响应的实用的几何方法。

设系统是稳定的，令zeMjj代入(3.6.13)式，得系统的频率响应。

HejA'eciedjkk1i1N

(3.6.14)式中，AAe'jNM，它只包含常系数的幅度增益和线性的相移，不影响Hejj的频率

j特性。在z平面上，eci可以用由零点ci指向单位圆上e点B的向量ciB来表示；同

《数字信号处理》教案——臧博

样，edk可以用由极点dk指向单位圆上点B的向量dkB来表示，如图3.6.1所示，即 jjImzdkdkBkBRezciBici1dk*

图3.6.1 系统频率响应的几何表示

ciBejci dkBejdk

ciB和dkB分别称为零点矢量和极点矢量。将它们用极坐标表示为

jciBciBei jdkBdkBek

将它们代入(3.6.14)式，得到

HejA'jHeedkBi1Nk1ciBMj

(3.6.15)式中

HejA'ciBMk1Ni1N

(3.6.16)dkBik

(3.6.17)i1k1M这样，系统的频率响应由(3.6.16)式和(3.6.17)式确定。其中，系统的幅频响应按(3.6.16)式由零点矢量长度之积与极点矢量长度之积的比值决定；而相频响应则按(3.6.17)式由零点矢量幅角之和与极点矢量幅角之和的差值决定。当频率ω从零变化到2时，这些向量的终

《数字信号处理》教案——臧博点B沿单位圆逆时针旋转一周。从而可分别得到系统的幅频响应和相频响应。例如，图3.6.2(a)所示的具有一个零点和一个极点的系统，其幅频响应He和相频响应如

j图3.6.2(b)所示。

按照(3.6.16)式，知道系统函数的零极点分布后，可以分析零极点位置对系统频率特性的影响。当变化使B点转到极点附近时，该极点矢量长度短，因而幅频响应将出现峰值，且极点愈靠近单位圆，极点矢量长度愈短，峰值愈高愈尖锐。如果极点在单位圆上，该极点对应的幅频响应无穷大，系统是不稳定的，这与稳定系统的极点要求分布在单位圆的条件是一致的。对于零点，结果相反，当变化使B点转到零点附近时，该零点矢量长度最短，幅频响应将出现谷值，零点愈靠近单位圆，谷值愈接近零。当零点处在单位圆上时，谷值为零。

总结以上结论：系统函数的极点位置主要影响系统幅频响应的峰值位置及尖锐程度，零点位置主要影响系统幅频响应的谷值及谷深。

例3.6.2 设一阶系统的差分方程为

ynayn1xn, 0a1

试分析该系统的频率响应特性。

解：由系统的差分方程得到系统函数为

Hz1z,za

1az1za系统的单位脉冲响应为

hnanun

系统函数的零点z0，极点pa，如图3.6.2(a)所示。幅频响应特性和相频响应特性如图3.6.2(b)所示。

2|H(ej)|jImz1.510.500.20.40.60.81/1.21.41.61.820.20a1Rez()/0.10-0.1-0.200.20.40.60.81/1.21.41.61.82

(a)零极点分布

(b)频率响应特性曲线

图3.6.2 例3.6.2 系统函数的零极点分布和频率响应特性

例3.6.3 例3.6.2的单位脉冲响应hn是无限长因果序列，对应的系统是IIR数字滤波

《数字信号处理》教案——臧博器。如果截取hn的一段，得到一个有限长单位脉冲响应

na,0nN1hn0,其他n0a

1对应的是FIR数字滤波器，试分析其频率响应特性。

解：系统的系统函数为

Hzazn0N1nn1aNzN, za 11az将Hz该写为

zNaN, za HzN1zza其N个零点为

ziaej2Ni1,N , i1,2它们等间隔分布在半径为a0a1的圆上。在za处有一个极点，其余N1个极点是处在原点的N1阶重极点。这样，在za处的极点被一个相同位置的零点所抵消。设N8，则其零、极点分布图和对应的频率响应特性分别如图3.6.3(a)、(b)所示。可以看出，系统幅频响应的峰值出现在0处，因为那里的零点被极点抵消了；另外，在每一零点附近的幅频响应均有陷落。随着截取长度N的增加，幅频响应特性的曲线将逐渐光滑而接近hnanun的结果。

64jImz|H(ej)|2000.20.40.60.81/1.21.41.61.820.4N1阶极点()/0aRez10.20-0.2-0.400.20.40.60.811.21.41.61.82/

(a)零极点分布(N=8)

(b)频率响应特性(N=8)

图3.6.3 例3.6.3 系统函数的零极点分布和频率响应特性

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 梳状滤波器

《数字信号处理》教案——臧博梳状滤波器(combfilter)、全通滤波器(whole pa filter)和最小相位系统(minimum phase system)是各具特色频率响应特性的离散时间LTI系统。本节分别讨论它们的基本特性。

滤波器通常只有一个通带或阻带，但在实际应用中，往往要求滤波器具有多个通（阻）带。梳状滤波器就是一个多通（阻）带的数字滤波器。梳状滤波器的频率响应是的周期函数，其周期为2N（N是一个正整数）。如果Hz是一个单通（阻）带滤波器，可用zN取代Hz中的z，从而获得梳状滤波器的系统函数HczHzN。称Hz为构成梳状滤波器的原型滤波器(prototype filter)。原型滤波器可以是FIR数字滤波器，也可以是IIR数字滤波器。

由系统函数为

Hz1z1，z0的一阶高通FIR原型数字滤波器产生的梳状滤波器的系统函数为

Hcz1zNzN1N

(3.7.1)

zHcz的零点有N个，由分子多项式的决定，即

zN10

ziej2i1N,N，i1,2这N个零点等间隔分布在单位圆上。Hcz在z0处有N阶极点。

令zej，则梳状滤波器的频率响应Hce为

jHcej1zjN1cosnjsinn

(3.7.2)其幅频响应Hce为 jjHce21cosn1

2(3.7.3)相频响应c为

cargtansinn

(3.7.4)

1cosn设N8，Hcz的零极点分布如图3.7.1(a)所示。当从零变化到2时，每遇到一个零点，幅频响应为零，在两个零点中间幅频响应最大，形成峰值。幅频响应谷值点的频率为i2Ni1i1,2,N。N8时的幅频响应特性如图3.7.1(b)所示。通常将具有如图3.7.1(b)所示幅频响应特性的滤波器称为梳状滤波器。

《数字信号处理》教案——臧博如果滤波器的系统函数Hcz是由一阶低通FIR原型数字滤波器Hz1z1产生的，即

Hcz1zN

(3.7.5)则

Hcej2ejN2cosN

(3.7.6)它也是梳状滤波器，但频率响应特性与(3.7.2)式所示的频率响应特性有所差别，请读者自己分析。

21.5|H(ej)|10.5000.20.40.60.81/1.21.41.61.82jImz0.5Rez()/10-0.500.20.40.60.81/1.21.41.61.82

(a)零极点分布(N=8)

(b)频率响应特性曲线(N=8)

图3.7.1 梳状滤波器的零极点分布和频率响应特性

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 全通滤波器

全通滤波器是指系统的幅频响应恒为常数的数字滤波器。全通滤波器在滤波器结构、多采样速率信号处理、滤波器组设计等领域有着广泛的应用。

(1)一阶全通滤波器

一阶的因果稳定的全通滤波器的系统函数定义为

z1cHwp1z，c(3.7.7)1cz1系统的频率响应为

Hwp1ejej1cej

(3.7.8)j1ce由于(3.7.8)式中的分子分母互为共轭，故

Hwp1ej1

(3.7.9)所以将该系统称为全通滤波器。由(3.7.7)式可得全通滤波器Hwp1z的极点为

《数字信号处理》教案——臧博p1crej

（3.7.10）系统的零点为

z111je

(3.7.11)cr称由(3.7.10)式和(3.7.11)式给出的一阶全通滤波器零点和极点的位置关于单位圆镜像对称，如图3.7.2(a)所示。

将一阶全通滤波器的系数c用幅度r和幅角的极坐标表示，则由(3.7.8)式可得一阶全通滤波器的相频响应为

rsinwp12argtan

(3.7.12)

1rcos将wp1对求导可得

dwp1d1r21rcosrsin220

(3.7.13)这说明一阶全通滤波器的相频响应是单调递减的。

由(3.7.12)式可知，当0，从0变到2时，一阶全通滤波器的相位将从0递减到2；当0时，记

12arctanrsin

1rcos一阶全通滤波的相位将从1递减到12。这说明一阶全通滤波器当从从0变到2，0变到2时，相位将减小2。

一阶全通滤波器的频率响应特性如图3.7.2(b)所示。

《数字信号处理》教案——臧博

21.5|H(ej)|10.5000.10.20.30.40.50.60.70.80.91/jImz1c1c0.5()/Rez001-0.5-100.20.40.60.811.21.41.61.82/

(a)零极点分布

(b)频率响应特性曲线

图3.7.2 一阶全通滤波器的零极点分布和频率响应特性

(2)N阶实系数全通滤波器

N阶实系数全通滤波器的系统函数为

HwpNzazii0Nii0NNiazNzNa1zN1a2zN2aN1a1z1a2z2aNzN

式中 zNANz1ANz，a01,a1,a2,aN为实数

（3.7..14）

ANz1a1z1a2z2aNzN

(3.7.15)为使系统稳定，实系数多项式ANz的根，即系统函数的极点pkk1,2,N必须全都在单位圆内。

由于系统函数中的系数a1,a2,aN是实系数，所以

ANz1zejANejAN(ej)

(3.7.16)j式中AN(ej)是ANe的共轭，它们两者的模是相等的。因此有

《数字信号处理》教案——臧博HwpNejAN(ej)1

(3.7.17)jANe这就证明了(3.7.14)式系统函数所代表的系统具有全通滤波特性。

全通滤波器具有特殊的零点和极点分布规律。设zi是HwpNz的零点，按照(3.7.14)式，zi1必然是HwpNz的极点，记为pizi1，则pizi1，即全通滤波器的零点和极点互为共轭倒数关系。如果再考虑到ANz和ANz的系数均为实数，其零点、极点或者为实

1数，或者呈共轭复数对。其中，复数零点和复数极点必然以两对一组出现。例如，zi为HwpNz的复数零点，则必有复数零点zi，而复数极点为pizi1和pizi1。而实

数零极点则以两个一组出现，且零点与极点互为倒数关系。以一个实数极点和一对共轭复数极点为例，零极点位置示意图如图3.7.3所示。

jImzzipiRez0p1ppizi图3.7.3 全通滤波器的零极点分布

观察图3.7.3，如果将零点zi和极点pi组成一对，将零点zi和pi组成一对，那么全通滤波器的零点与极点便以共轭倒数关系出现。因此，实数全系通滤波器的系统函数也可以写成如下形式：

z1pi

(3.7.18)HwpNz11pzi1iN其中，极点pi和零点1pi构成一个一阶全通滤波器。所以N阶实系数全通滤波器可分解为N个一阶全通滤波器的级联。

由于N阶全通滤波器的相频响应是N个一阶全通滤波器相频响应的和，所以N阶全通

《数字信号处理》教案——臧博

12 滤波器的相频响应也是单调递减的。由于HwpNe点的相位为

1，N阶实系数全通滤波器在0j000

当从0变到2时，N阶全通滤波器的相频响应将从0递减到2N。

全通滤波器是一种纯相位滤波器，经常用于相位均衡。对幅频响应特性满足要求而相频响应特性有缺陷的滤波器，可以级联全通滤波器进行相位校正。

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 最小相位系统

系统零点、极点都在单位圆内的因果系统，称为最小相位系统，系统函数记为Hminz。任一实系数因果稳定系统的Hz都可表示为一个最小相位系统和一个全通系统的级联，即

HzHminzHwpNz

(3.7.19)为了证明上述结论，设系统Hz只有一个零点z1a在单位圆外，a1，而其余

零点都在单位圆内，那么Hz就能表示成HzH1zz1a

(3.7.20)按定义H1z是一个最小相位系统。Hz也可等效地表示为

11az1a1zHzH1zzaH1z1az

(3.7.21)111az1az1因为a1，所以H1z1az也是最小相位系统，记为Hminz。由于

1z1a1az1是一阶全通系统（参见（3.7.7）式），故得

HzHminzHwp1z

(3.7.22)对单位圆外的每一个零点使用(3.7.21)式，即得(3.7.19)式。由于HwpNz是全通系统，因此(3.7.19)式中的Hz和Hminz具有相同的幅频响应。

由于全通系统的相位是非正的，在幅频响应与Hz相同的所有因果稳定系统中，最小相位系统的相位值最大，称之为最小相位滞后。因此，最小相位系统更为确切的术语应为最小相位滞后系统。由于最小相位系统是历史上早已惯用的名称，所以至今仍延用这一术语。

例3.7.1 已知实系数因果稳定系统的系统函数Hz为

《数字信号处理》教案——臧博bz1，a1,b1 Hz1az1试判决该系统是否为最小相位系统。

解：系统函数Hz的零点z11b。由于b1，所以z11，零点在单位圆外，所以这不是一个最小相位系统。

由(3.7.21)式，与Hz具有相同幅频响应的最小相位系统为

1bz1，a1,b1 Hminz1az1图3.7.4示出了Hz和Hminz的相频响应特性曲线。

10.80.60.40.2()/0.30.20.10-0.2-0.4-0.6()/0-0.1-0.2-0.3-0.8-100.20.40.60.81/1.21.41.61.82-0.400.20.40.60.81/1.21.41.61.82

(a)Hz的相频响应

(b)Hminz的相频响应

图3.7.4

a0.9,b0.4时，例3.7.1的相频响应特性曲线

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 本章小结

本章内容很多，下面我们将本章的内容做一个小结，一方面是帮助大家对过去两周学习的内容做一个回顾，加深一下印象，另一方面，通过这个小结，也帮助大家今后的考前复习。

《数字信号处理》教案——臧博

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% 本章作业

《数字信号处理》教案——臧博