14.3.5全零点格型结构1973年,Gray和Markel提出一种新的系统结构形式,即格型结构(latticestructure)。这是一种很有用的结构,在功率谱估计、语音处理、自适应滤波等方面以得到了广泛的应用。这种结构的优点是,对有限字长效应的敏感度低,且适合递推算法。这种结构有三种形式,即适用于FIR系统的全极点格型结构和适用于IIR系统的全极点和零极点格型结构。下面先介绍图7.10所示的全零点格型结构。其他两种个性结构将留到第4.3节讨论。格型结构是由多个基本单元级联起来的一种极为规范化的结构。图7.11示出其中的第m极。与FIR滤波器的直接型结构一样,全零点格型结构也是没有反馈支路的,图7.10全零点格型结构图7.11全零点格型结构的基本单元让我们从一组FIR滤波器的系统函数开始研究全零点格型结构。图7.10中,以)(nx为输入序列,后接M个格型级,这样就形成M个滤波器:第m(Mm,...,2,1)个滤波器有两个输出,即上输出)(nfm和下输出)(ngm。以)(nfm为输出的滤波器称为前向滤波器;以)(ngm为输出的滤波器称为后向滤波器。对于M个前向FIR滤波器,它们的系统函数为:,...,M,mzAzHmm21),()((18)式中,)(zAm是多项式:1,)(1)(1MmzkazAkmkmm(19)这里,为了数学推导的方便,令式子右边第1项为1;下标m代表滤波器序号,也代表滤波2器的阶数,例如,给定1)0(a以及)(),...,2(),1(Maaa,则第4个滤波器的系统函数为443424144)4()3()2()1(1)(zazazazazH设第m个滤波器的输入、输出序列分别是)(nx和)(ny,则)()()()(1knxkanxnymkm(21)其直接型实现如图12所示。图7.12FIR滤波器的一种直接实现形式1m阶滤波器的输出可表示为)1()1()()(1nxanxny(22)该输出也可以从图12所示的第一级格型滤波器得到。图中,两个输入端联在一起,激励信号为)(nx。从两个输出端得到的信号分别为)(1nf和)(1ng:)1()()()1()()(0101nxnxkngnxknxnf(23)其次我们考虑二阶FIR滤波器,它的直接型结构输出为)2()2()1()1()()(22nxanxanxnyT22)]2()1(2)][1-(1)-()([aanxnxnx(24)上式将输出)(ny表示为两个向量的内积,T表示向量转置。相应地,这个二阶滤波器可以用两个级联的格型单元(图10前面的两级)来实现。,图中,第一级的输出为)1()()()1()()(1111nxnxkngnxknxnf(25))1()()()1()()(11221212ngnfkngngknfnf(26)将式(25)中的)(1nf代入式(26)中,得3)]2()1([)1()()(1212nxnxkknxknxnf)2()1()1()(221nxknxkknx(27)现在令式(24)和式(27)的系数相等,即)1()1(,)2(21222kkaka(28)于是,得二阶格型结构的参数)2(1)1(),2(22122aakak(29)其中,)2(22ak这个结果是很容易理解的。从图7.12看,如果滤波器阶数2m,则时延为2的输入输出传输值为)2(2a,而从图7.10看,从输入到上端输出有三条可能的支路,而其中时延为2的支路传输值为1k。如果这两个流图等效,则应有)2(22ak。因此可以推论,若有m个格型级,则其最右边的支路mk与直接型结构的参数)(mam相等:)(makmm(30)为了得到其它支路传输值121,...,,kkkmm与直接型结构的参数之间的关系,我们需要从图7.10所示的M阶格型结构的最右边做起:根据M阶滤波器的直接型参数,依次求1M,1,...,3,2MM阶滤波器的直接型参数。这是降阶递推。只要求出m阶滤波器的系数组},...,2,1),({mkkam,则格型结构的支路传输)(makmm。式(29)表明,二阶格型结构的两个参数1k和2k可以根据直接型结构的参数求出。继续这个过程,可以得到一个m阶直接型FIR滤波器和一个m阶或m级格型滤波器之间的等效性。按照图7.10,格型滤波器可用递归方程描述为)()()(00nxngnf(31)121),1()()(11,...,M-,mngknfnfmmmm(32)121),1()()(11,...,M-,mngnfkngmmmm(33)因此,第1M-级滤波器的输出相当于1M-阶FIR滤波器的输出,即(n)fy(n)M1(34)因为FIR滤波器和格型滤波器的输出)(nfm可以表示为41)0()()()(0mmkmmaknxkanf(35)而这个式子是两个序列的卷积和,所以它遵从z变换关系)()()(zXzAzFmm故)()()()()(0zFzFzXzFzAmmm(36)现在我们来看二级格型滤波器的另一个输出)(2ng。由图7.10得)1()()(1122ngnfkng)2()1()]1()([112nxnxknxknxk)2()1()1()(212nxnxkknxk)2()1()1()()2(22nxnxanxaT221])1()2()][2...