Practical Analog and Digital Filter Design pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Artech House

作者:Thede, Les

出品人:

页数:250

译者:

出版时间:2004-11

价格:$ 126.56

装帧:HRD

isbn号码:9781580539159

丛书系列:

图书标签:

• Filter Design
• Analog Filters
• Digital Filters
• Signal Processing
• Electronics
• Electrical Engineering
• Control Systems
• DSP
• Circuit Design
• Practical Guide

模拟与数字滤波器设计实践指南 探索信号处理的核心技术，掌握从理论到应用的完整流程 本书旨在为电子工程、通信系统、控制工程及相关领域的专业人士和高阶学生提供一本全面、深入且高度实用的滤波器设计参考手册。我们专注于剖析现代信号处理系统中不可或缺的基石——模拟滤波器和数字滤波器——的设计、实现、分析与优化。全书内容紧密围绕实际工程需求展开，力求在严谨的数学理论与可操作的工程实践之间搭建起一座坚实的桥梁。 本书的核心目标是使读者不仅理解“如何”设计滤波器，更能深刻洞察“为何”选择特定的拓扑结构、设计方法以及相应的性能权衡。我们将摒弃冗长而抽象的纯理论推导，转而采用面向应用的视角，深入探讨每种设计选择背后的物理意义和工程约束。 第一部分：模拟滤波器基础与经典设计（The Realm of Analog Filters） 本部分将系统回顾模拟滤波器的基本概念，并详细阐述从元件选择到电路实现的整个流程。我们将聚焦于传统滤波器的理论基石，并逐步过渡到现代有源滤波器技术。 1. 模拟滤波器的理论基石 我们将从连续时间系统的基本描述出发，定义理想滤波器的特性——通带、阻带、过渡带、插入损耗、相位响应等关键指标。重点讲解频率域分析的工具，包括对拉普拉斯变换和复频率平面（s-平面）的深入理解。 2. 巴特沃斯（Butterworth）与切比雪夫（Chebyshev）滤波器分析 这是现代滤波设计中应用最广泛的两大家族。我们将详细分析它们的响应特性： 巴特沃斯响应： 强调其在通带内的最大平坦特性，适用于需要最小群延迟失真和精确幅度响应的应用场景。我们将推导其原型低通滤波器的传递函数，并演示如何通过频率和幅度缩放（Scaling）将其转化为高通、带通和带阻滤波器。 切比雪夫响应： 深入探讨其在给定阶数下能实现的最陡峭过渡带，以可接受的通带纹波为代价。我们将区分I型和II型切比雪夫滤波器，并详细讲解如何控制通带内的纹波幅度对设计的影响。 3. 椭圆（Elliptic/Cauer）滤波器设计 作为最“高效”的滤波器类型，椭圆滤波器在有限的阶数内能同时在通带和阻带内实现等波纹特性。我们将探讨其复杂的设计过程，包括计算极点和零点的位置，以及理解其在实现复杂选择性要求时的优势与挑战。 4. 滤波器综合：从原型到级联 本章将从理论模型转化为实际电路的关键步骤。我们将探讨： Pole-Zero Placement： 如何根据所需的规格在s-平面上确定滤波器的极点和零点位置。 原型到实际网络的转换： 讲解如何将规范化的原型函数分解为可实现的二阶或一阶网络，例如使用MF1/MF2/MF3等常见的网络结构。 5. 有源模拟滤波器技术 被动元件的限制（如Q值不稳定、元件尺寸和寄生效应）使得有源滤波器成为主流。我们将深入研究： 运算放大器的选择与非理想性： 讨论限幅、带宽限制、噪声和失真对高Q值滤波器性能的影响。 Sallen-Key 拓扑： 详细介绍这种简单、高效的二阶结构，并提供其实际设计步骤和元件值选择指南。 多反馈（MFB）拓扑： 探讨其在特定设计场景（如低增益）下的应用，并将其与Sallen-Key进行比较。 状态变量滤波器： 阐述这种更灵活的拓扑结构，它如何通过积分器实现对极点和零点的精确控制，特别适用于需要可调谐或高Q值设计的场合。 第二部分：数字滤波器基础与IIR设计（Fundamentals and Infinite Impulse Response Design） 本部分将过渡到离散时间系统，重点讲解数字滤波器的理论框架、实现方法以及与连续时间系统的映射关系。 1. 离散时间信号处理基础 重温离散时间系统的基本概念，包括Z变换、脉冲响应、系统函数（H(z)）以及稳定性判据（在z平面上）。我们将强调与s平面的对应关系，为后续的模拟到数字转换打下基础。 2. 模拟到数字的映射：双线性变换（Bilinear Transformation） 这是将已设计的模拟滤波器转换为数字滤波器最常用的方法。我们将详细分析： 频率映射原理： 理解 $omega o Omega$ 的非线性映射（即频率压缩），以及如何通过预畸变（Pre-Warping）来补偿这一效应，确保数字滤波器的通带频率与模拟原型精确匹配。 双线性变换的优势与局限： 讨论其保持稳定性和因果性的优点，以及它引入的频率压缩对高通和带通设计的特定影响。 3. 无限脉冲响应（IIR）数字滤波器设计 IIR滤波器利用反馈机制，能以较低的阶数实现接近模拟滤波器的特性。我们将结合双线性变换，探讨IIR设计的完整流程： 从模拟原型到数字实现： 演示如何对巴特沃斯、切比雪夫等模拟原型进行频率变换和预畸变，然后应用双线性变换获得数字滤波器传递函数 $H(z)$。 直接形式、级联形式和并联形式的实现： 深入分析这三种基本的数字滤波器结构，着重讨论它们的量化误差（系数舍入误差）和动态范围特性。级联二阶节（Cascaded Second-Order Sections）因其更好的数值稳定性成为主流，我们将详细分析其结构和设计要求。 双二次滤波器（Biquads）： 探讨如何将高阶IIR滤波器分解为一系列标准化的双二次段，这是实际DSP芯片中最常见的实现方式。 第三部分：有限脉冲响应（FIR）滤波器设计与优化 FIR滤波器因其固有的线性相位特性，在音频、通信（如信道均衡）等对群延迟要求严格的应用中占据核心地位。本部分将全面覆盖FIR的设计方法。 1. FIR滤波器的基本特性 强调线性相位的重要性，以及FIR系统如何在时域和频域中实现这一特性（即系统的零点对称性）。讨论IIR与FIR在相位响应、实现复杂度和稳定性方面的根本区别。 2. 窗函数法（Windowing Method） 这是最直观、应用最广泛的FIR设计方法。我们将系统梳理各种窗函数及其对设计性能的影响： 理想脉冲响应的计算： 如何通过对理想频率响应进行反傅里叶变换得到无限长的脉冲响应 $h[n]$。 窗函数的选择与折衷： 详细比较矩形窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗等。重点分析窗函数的主瓣宽度（决定过渡带宽度）和旁瓣衰减（决定阻带衰减）之间的经典权衡。 3. 频率采样法与优化设计 对于需要更精确控制过渡带或特定零点位置的设计，窗函数法可能不够精确。 频率采样法： 当只需要特定频率点的幅度响应时，该方法提供了一种直接设计FIR滤波器的途径。 Parks-McClellan 算法（最小二乘法/等波纹优化）： 这是设计最佳FIR滤波器的黄金标准。我们将解释其核心思想——利用迭代算法在通带和阻带中“踢跳”波纹的极值点，以达到给定阶数下的最优性能。讲解如何使用工具箱实现该算法，并解释其在设计约束下的灵活性。 第四部分：高级主题与实现考量（Implementation and Practical Considerations） 本部分将这些理论知识提升到实际系统实现的层面，关注性能、效率与资源管理。 1. 滤波器性能的数字化分析 数字实现的固有误差是工程师必须面对的挑战： 有限字长效应（Finite Word Length Effects）： 详细分析系数量化（Coefficient Quantization）误差对滤波器极点位置和最终频率响应的影响。 运算舍入与溢出： 讨论在定点运算环境中，乘法和加法操作后的舍入和溢出如何引入噪声和失真，特别是在IIR滤波器的高Q段中。 2. 滤波器结构的选择与优化 在特定的硬件平台（如FPGA、DSP芯片）上，选择正确的实现结构至关重要： 直接型与级联型结构的速度与资源消耗比较： 分析直接型实现的时延特性和并行化潜力。 晶格/格型结构（Lattice/Ladder Structures）： 探讨这些结构在自适应滤波和某些IIR设计中的数值稳定性优势。 3. 频率变换的应用 如何利用已设计的低通原型快速生成其他类型的滤波器： 数字低通到高通/带通/带阻的变换： 详细推导并展示如何通过替换Z域中的变量（如 $z^{-1}$ 替换为 $-z^{-1}$ 或 $z^{-1}$ 替换为 $frac{1-r z^{-1}}{z^{-1}-r}$）来实现精确的频率变换，从而极大地减少重新设计的工作量。 本书内容组织严谨，逻辑清晰，从基础理论出发，步步深入到复杂的工程实现。每一章节都配有详实的数学推导、大量的工程实例（覆盖从音频均衡到通信信道滤波的实际应用案例），并辅以对各种设计工具和软件库使用方法的指导。读者通过学习本书，将获得设计、仿真、实现并调试任何标准模拟或数字滤波器的能力。

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