如何确定 IIR 滤波器是因果还是非因果?

信息处理 过滤器 离散信号 过滤器设计 无限脉冲响应 数字滤波器
2022-02-21 11:57:19

这听起来不切实际,因为只有因果系统是被动实现的,但我面临的是关于递归数字滤波器的一般性陈述:为了使它们稳定,极点应该在单位圆内。我无法看到,在不知道系统是因果还是非因果的系统类型的情况下,如何评论极点位置以使系统稳定。

我也知道,为了使系统稳定,它的输出应该只依赖于观察时间或之前的输入值,因为下面是因果关系

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但是下面的等式呢

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3个回答

首先,说“极点应该(总是)在单位圆内以使 LTI 系统稳定”是不正确的;除非暗示系统也是因果关系。否则,如果系统是非因果的,那么它的极点应该在单位圆之外,以使系统稳定。

对于由 LCCDE 描述的 IIR 系统,因果关系必须从外部强加于系统(与初始条件一致),并且不能仅从方程导出。例如,系统

y[n]+ay[n1]=bx[n]
不能断定是因果的,因为方程也可以写成

y[n]=(1/a)y[n+1](b/a)x[n+1]
这(显然)表明当前输出对未来输入和未来输出的非因果依赖性。

因此,这个差分方程既可以表示因果系统,也可以表示非因果系统。它的解决方案应该通过假设一个因果系统或非因果系统来得出。

这也可以通过以下事实来理解:给定的传递函数将具有相应的 LCCDE 表示,但将具有多个 ROC。对于每个 ROC,应该相应地求解 LCCDE,从而为每个假设产生不同的解决方案。但是LCCDE是一样的。H(z)

FIR 系统没有极点(除了在原点或无穷远处),也没有稳定性问题,并且它们在 z 平面上不具有收敛区域。因此,他们的方程将表示因果关系,例如: 是一个非因果 FIR 系统,您不能将给定的方程操纵成因果形式.

y[n]=ax[n+1]+bx[n]+cx[n1]

或以下系统

y[n]=ax[n]+bx[n1]+cx[n2]
是一个因果 FIR 系统,您不能将给定方程操纵为非因果形式...

因此,因果关系应该是 IIR 系统的假设属性。

仅从差分方程,您无法判断一个系统是否是因果关系。例如,差分方程

(1)y[n]=a1y[n1]a2y[n2]+b0x[n]

可以用来描述三个不同的系统。第一个是因果系统,如(1).

然而,重写(1)作为

(2)y[n2]=a1a2y[n1]1a2y[n]+b0a2x[n]

建议一个反因果系统,其中所有输出值都取决于输入和输出的未来值。

第三种重写方式(1)建议一个非因果(双边)系统,其中当前输出值取决于输入和输出的过去和未来值:

(3)y[n1]=a2a1y[n2]1a1y[n]+b0a1x[n]

正是初始条件可以将这样的系统定义为因果关系。在里面Z-transform domain,三种不同的系统解释(1)(3)对应于三个不同的收敛区域。

代替m=n+K, IE,n=mK. 这给

y[mK]=a1y[mK+1]aK1y[m1]aKy[m]+b0x[mK]+b1x[mK1]++bLx[mKL].
重新排列给
y[m]=aK1aKy[m1]aK2aKy[m2]a1aKy[mK+1]1aKy[mK]+b0aKx[mK]++bLaKx[mKL].

这对我来说是一个因果过滤器。