§3.2常用模擬低通濾波器特性

為了方便學習數(shù)字濾波器，先討論幾種常用的模擬低通濾波器設計方法，高通、帶通、帶阻等模擬濾波器可利用變量變換方法，由低通濾波器變換得到。

模擬濾波器的設計就是根據(jù)一組設計規(guī)范設計模擬系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)，使其逼近某個理想濾波器特性。因果系統(tǒng)中式中ha(t)為系統(tǒng)的沖激響應，是實函數(shù)?！?/p>

不難看出

定義振幅平方函數(shù)

式中Ha(s)—模擬濾波器系統(tǒng)函數(shù)

Ha(jΩ)—濾波器的頻率響應

|Ha(jΩ)|—濾波器的幅頻響應又S=jΩ，Ω2=-S2∴A(Ω2)=A(-S2)|S=jΩ問題：由A(-S2)→Ha(S)

對于給定的A(-S2)，先在S復平面上標出A(-S2)的極點和零點，由(1)式知，A(-S2)的極點和零點總是“成對出現(xiàn)”，且對稱于S平面的實軸和虛軸，選用A(-S2)的對稱極、零點的任一半作為Ha(s)的極、零點，則可得到Ha(s)。

為了保證Ha(s)的穩(wěn)定性，應選用A(-S2)在S左半平面的極點作為Ha(s)的極點，零點可選用任一半。例：已知,求對應的Ha(s)。解：這4個極點和2個零點在s平面上的分布如下圖所示。如果按最小相位條件來選取，則應取左半平面上的2個極點和1個零點構成Ha(S)，因此N為濾波器階數(shù)，如圖1其幅度平方函數(shù)：特點：具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性，且隨f↗，幅頻特性單調(diào)↘。三種模擬低通濾波器的設計：1）巴特沃茲濾波器(Butterworth濾波器)(巴特沃茲逼近)圖1巴特沃茲濾波器振幅平方函數(shù)

通帶:使信號通過的頻帶阻帶：抑制噪聲通過的頻帶過渡帶：通帶到阻帶間過渡的頻率范圍

Ωc：通帶邊界頻率。

過渡帶為零，阻帶|H(jΩ)|=0

通帶內(nèi)幅度|H(jΩ)|=const.，

H(jΩ)的相位是線性的。

理想濾波器圖1中，N增加，通帶和阻帶的近似性越好，過渡帶越陡。通帶內(nèi)，分母Ω/Ωc<1,(Ω/Ωc)2N《1，A(Ω2)→1。過渡帶和阻帶，Ω/Ωc>1，(Ω/Ωc)2N

》1,Ω增加，A(Ω2)快速減小。Ω=Ωc,，,幅度衰減，相當于3dB衰減點。

振幅平方函數(shù)的極點：

令分母為零，得

可見，Butterworth濾波器的振幅平方函數(shù)有2N個極點，它們均勻?qū)ΨQ地分布在|S|=Ωc的圓周上。例：為N=3階BF振幅平方函數(shù)的極點分布，如圖。圖2三階A(-S2)的極點分布

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，知DF的系統(tǒng)函數(shù)是由S平面左半部分的極點（SP3，SP4，SP5）組成的，它們分別為：

系統(tǒng)函數(shù)為：

令，得歸一化的三階BF：

如果要還原的話，則有

2）切比雪夫（chebyshev）濾波器(切比雪夫多項式逼近)

特點：誤差值在規(guī)定的頻段上等幅變化。巴特沃茲濾波器在通帶內(nèi)幅度特性是單調(diào)下降的，如果階次一定，則在靠近截止頻率處，幅度下降很多，或者說，為了使通常內(nèi)的衰減足夠小，需要的階次（N）很高，為了克服這一缺點，采用切比雪夫多項式逼近所希望的。切比雪夫濾波器的在通帶范圍內(nèi)是等幅起伏的，所以同樣的通帶衰減，其階數(shù)較巴特沃茲濾波器要小?？筛鶕?jù)需要對通帶內(nèi)允許的衰減量（波動范圍）提出要求，如要求波動范圍小于1db。

振幅平方函數(shù)為—有效通帶截止頻率—與通帶波紋有關的參量，大，波紋大。

0<<1

VN（x）—N階切比雪夫多項式，定義為

如圖1,通帶內(nèi)變化范圍1~

Ω＞Ωc

，隨Ω/Ωc

↗，→0(迅速趨于零)當Ω

=0時，

N為偶數(shù)，，min，

N為奇數(shù)，，max，

切比雪夫濾波器的振幅平方特性

給定通帶波紋值分貝數(shù)后，可求。有關參數(shù)的確定:a、通帶截止頻率Ωc

，預先給定

b、通帶波紋為c、階數(shù)N—由阻帶的邊界條件確定。（、A事先給定）

3、橢圓濾波器（考爾濾波器）特點：幅值響應在通帶和阻帶內(nèi)都是等波紋的，對于給定的階數(shù)和給定的波紋要求，橢圓濾波器能獲得較其它濾波器更窄的過渡帶寬，就這點而言，橢圓濾波器是最優(yōu)的。其振幅平方函數(shù)為

RN（Ω，L）—雅可比橢圓函數(shù)

L—表示波紋性質(zhì)的參量

N=5，的特性曲線

可見，在歸一化通帶內(nèi)（-1≤Ω≤1），在（0，1）間振蕩，而超過ΩL后，在

間振蕩。這一特點使濾波器同時在通帶和阻帶具有任意衰減量。

下圖為典型的橢園濾波器振幅平方函數(shù)

橢圓濾波器的振幅平方函數(shù)

圖中ε和A的定義同切比雪夫濾波器ΩrΩr當Ωc、Ωr、ε和A確定后，階次N的確定方法為：式中為第一類完全橢圓積分