单片机与DSP中的均匀DFT滤波器组
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资源说明:在最大抽取或精密采样滤波器组中,抽取或插入数R与频带的数量Κ相等。如果第r个频带滤波器hr[n]是由单个原型滤波器h[n]依据下面的公式计算得来的,那么我们就称之为DFT滤波器组。   如果我们采用滤波器hr[n]和输入信号x[n]的多相分解,就能够得到R个信道的滤波器组的一个有效实现。因为每个带通滤波器都是精密采样的,采用R个多相信号分解的公式如下:   现在将(5.42)式代入(5.41)式,就会发现,所有带通滤波器hr[n]共用同一个相位滤波器hk[n],而每个滤波器的“旋转因子”是不同的。图(a)给出了hr[n]的第r个滤波器的结构。很明显,hr[n]的“旋转乘法”在输入向 单片机与DSP中的均匀离散傅里叶变换(DFT)滤波器组是一种高效且灵活的数字信号处理技术,常用于音频、通信和图像处理等领域。这种滤波器组设计的核心在于最大抽取(Maximally Decimated)或精密采样(Precisely Sampled)的概念,其中抽取或插入数R与频带的数量Κ相等,这意味着系统可以有效地对信号进行频域分解,同时保持较低的计算复杂度。 DFT滤波器组的工作原理基于单个原型滤波器h[n],通过一定的数学变换生成多个频带滤波器hr[n]。对于第r个频带滤波器,它是根据以下公式生成的: \[ hr[n] = h[n] \cdot e^{-j2\pi rn/K} \] 这里的\( r \)是0到\( R-1 \)的整数,表示不同的频带,\( K \)是总的频带数量,\( j \)是虚数单位,\( \pi \)是圆周率,\( n \)是采样点索引。 多相分解是实现DFT滤波器组的关键方法,它将每个带通滤波器hr[n]分解成多个相位滤波器hk[n]的乘积。每个滤波器的多相分解公式可以表示为: \[ hr[n] = \prod_{k=0}^{K-1} hk[n] \cdot e^{-j2\pi kn/R} \] 当将(5.42)式代入(5.41)式后,我们可以看到所有带通滤波器hr[n]共享同一个相位滤波器hk[n],但每个滤波器的"旋转因子"是不同的。这个"旋转因子"使得滤波器能够处理不同频率成分,从而实现频谱分析或者频带选择性滤波。 滤波器hr[n]的结构如图(a)所示,其中"旋转乘法"部分对应于输入向量 xo[n], x1[n], ..., xR-1[n] 的不同DFT组件。通过这种方式,滤波器组的运算可以简化为R个独立的多相滤波器操作,随后再对这些滤波结果进行DFT(或快速傅里叶变换FFT)计算,如图(b)所示。这种方法极大地减少了计算量,尤其在处理长序列时,效率远高于直接计算全尺寸的DFT。 在实际的单片机或DSP应用中,这种滤波器组设计可以优化硬件资源的利用,实现高性能的实时信号处理。例如,在音频处理中,它可以用来实现可变带宽的频谱分析或窄带滤波;在通信中,用于信道均衡或解调;而在图像处理中,则可以进行频域滤波以去除噪声或提取特定频段的信息。 单片机与DSP中的均匀DFT滤波器组是一种强大且实用的数字信号处理工具,通过精心设计的多相分解和共享资源策略,能够在有限的硬件资源下实现高效的频谱分析和滤波功能。其核心思想是利用DFT的线性变换性质,结合特定的抽取或插入策略,来降低计算复杂度并提高系统性能。在实际工程应用中,这种滤波器组的设计方法有着广泛的应用价值。
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