数字滤波器设计 (采样周期 T = 2s)

(1) $H_a(s) = \frac{1}{s^2+s+1}$

方法一:脉冲响应不变法 (IIM) - 极点映射

Step 1: 极点分解
解 $s^2+s+1=0$ 得极点 $p_1 = -0.5 + j\frac{\sqrt{3}}{2}, \ p_2 = -0.5 - j\frac{\sqrt{3}}{2}$。
展开式:$H_a(s) = \frac{A}{s-p_1} + \frac{A^*}{s-p_2}$,其中 $A = \frac{1}{p_1-p_2} = \frac{1}{j\sqrt{3}}$。

Step 2: 映射替换
利用 $\frac{1}{s-p} \to \frac{1}{1-e^{pT}z^{-1}}$,代入 $T=2$
$H(z) = \frac{A}{1 - e^{(-1+j\sqrt{3})}z^{-1}} + \frac{A^*}{1 - e^{(-1-j\sqrt{3})}z^{-1}}$

Step 3: 通分合并
$$ H(z) = \frac{ A(1-e^{p_2 T}z^{-1}) + A^*(1-e^{p_1 T}z^{-1}) }{ 1 - (e^{p_1 T} + e^{p_2 T})z^{-1} + e^{(p_1+p_2)T}z^{-2} } $$ 利用 $A+A^*=0$ 且 $A-A^* = \frac{2}{j\sqrt{3}}$,化简后分子为 $\frac{2}{\sqrt{3}}e^{-1}\sin(\sqrt{3})z^{-1}$。

结果:$$ H(z) \approx \frac{ 0.153 z^{-1} }{ 1 - 0.231 z^{-1} + 0.135 z^{-2} } $$

方法二:双线性变换法 (BLT)

代入 $T=2$,即用 $s = \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}$ 替换:
$$ H(z) = \frac{1}{ \left( \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}} \right)^2 + \left( \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}} \right) + 1 } $$

分子分母同乘 $(1+z^{-1})^2$ 并整理系数:

结果:$$ H(z) = \frac{1 + 2z^{-1} + z^{-2}}{3 + z^{-2}} $$

(2) $H_a(s) = \frac{b}{2s^2+3s+1}$

方法一:脉冲响应不变法 (IIM) - 极点映射

Step 1: 极点分解
$H_a(s) = \frac{b}{(2s+1)(s+1)} = \frac{b}{2(s+0.5)(s+1)}$。
部分分式展开:$H_a(s) = \frac{b}{s+0.5} - \frac{b}{s+1}$。

Step 2: 映射替换
利用 $\frac{1}{s-p} \to \frac{1}{1-e^{pT}z^{-1}}$,代入 $T=2$
$$ H(z) = \frac{b}{1 - e^{-0.5 \times 2}z^{-1}} - \frac{b}{1 - e^{-1 \times 2}z^{-1}} $$

结果:$$ H(z) = \frac{ b(e^{-1} - e^{-2})z^{-1} }{ 1 - (e^{-1} + e^{-2})z^{-1} + e^{-3}z^{-2} } $$

方法二:双线性变换法 (BLT)

代入 $T=2$,即用 $s = \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}}$ 替换:
$$ H(z) = \frac{b}{ 2\left( \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}} \right)^2 + 3\left( \frac{1-z^{-1}}{1+z^{-1}} \right) + 1 } $$

分子分母同乘 $(1+z^{-1})^2$,注意分母二次项系数抵消:

结果:$$ H(z) = \frac{ b(1 + 2z^{-1} + z^{-2}) }{ 6 - 2z^{-1} } $$
(注:图表Y轴刻度固定,可直观观察 b 对幅度的改变)