1095

Математические модели и синтез цифровых нерекурсивных фильтров

Лекция

Математика и математический анализ

Общие характеристики цифровых фильтров. Математические модели цифровых нерекурсивных фильтров. Методика синтеза цифровых нерекурсивных фильтров. Алгоритм Ремеза для построения оптимального цифрового нерекурсивного фильтра.

Русский

2013-01-06

200.5 KB

110 чел.

Лекция № 7

Математические модели и синтез цифровых нерекурсивных фильтров

Рассматриваются следующие вопросы:

- общие характеристики цифровых фильтров;

- математические модели цифровых нерекурсивных фильтров;

- методика синтеза цифровых нерекурсивных фильтров;

- алгоритм Ремеза.

1.1. Общие характеристики цифровых фильтров

Для выделения частотных составляющих акустического дискретного сигнала применяются цифровые нерекурсивные и рекурсивные фильтры [5,6]. Выделим наиболее распространенные типы фильтров (фильтры с симметричной импульсной характеристикой), обрабатывающие частотный диапазон , где  - частота дискретизации:

- фильтр нижних частот (ФНЧ), выделяющий частоты ниже частоты среза , при этом полоса пропускания лежит в диапазоне , полоса непропускания - , полоса перехода между ними - ;

- фильтр высоких частот (ФВЧ), выделяющий выше частоты среза , при этом полоса пропускания лежит в диапазоне , полоса непропускания - , полоса перехода - ;

- полосовой фильтр (ФП), выделяющий частоты выше частоты среза  и ниже , при этом полоса пропускания лежит в диапазоне , полосы непропускания -  и , полосы    перехода -  и ;

- режекторный фильтр (ФР), выделяющий частоты ниже частоты среза  и выше , при этом полосы пропускания лежат в диапазоне  и , полоса непропускания - , полосы перехода -  и .

Максимальные пульсации в полосах пропускания и непропускания обозначаются через ,  соответственно. На рис.1.1 представлены передаточные функции четырех типов фильтров.

а) ФНЧ

                                               

в) ФП

                                             

г) ФР

Рис. 1.1. Передаточные функции цифровых фильтров

1.2. Математические модели цифровых нерекурсивных фильтров

Свойство нерекурсивный фильтр обозначает, что выходной сигнал фильтра зависит только от значения входного сигнала. Поэтому этот фильтр всегда устойчив. Нерекурсивный фильтр имеет импульсную характеристику конечной длины и поэтому еще называется фильтром с импульсной характеристикой конечной длины (или КИХ-фильтром).

Нерекурсивный фильтр можно представить в виде (1.1)

или   (1.1)

Нерекурсивные ФНЧ, ФВЧ, ФП, ФР выглядят следующим образом

(1.2)

(1.3)

(1.4)

(1.5)

где  M - порядок фильтра, .

Связь между передаточной функцией (частотной характеристикой)  и переходной функцией (импульсной характеристикой)  цифрового нерекурсивного фильтра, например нерекурсивного ФНЧ, может быть представлена в виде (1.6) или с помощью  z-преобразования в виде (1.7).

,   (1.6)

,   (1.7)

где  - шаг квантования,  - частота дискретизации.

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (1.8) и фазо-частотная характеристика (ФЧХ) (1.9) нерекурсивного фильтра выглядят в виде

(1.8)

. (1.9)

Если фильтр обрабатывает дискретный сигнал, временной интервал которого имеет конечную длину N, то возможно искажение спектра. Для уменьшения искажения спектра используем окна (весовые функции) . Например, для нерекурсивного ФНЧ

, . (1.10)

Приведем наиболее распространенные типы окон:

Треугольное окно (окно Бартлета)

,   для , (1.11)

Окно Ганна

,   для , (1.12)

Окно Хемминга

,   для , (1.13)

Окно Блэкмана

,   для , (1.14)

Окно Кайзера

,   для , (1.15)

где   - константа,  - функция Бесселя нулевого порядка,            N – четное

Обработку дискретного сигнала нерекурсивным фильтром, например ФНЧ (рис.1.2), можно представить в виде параметрической структуры, в которой используются коэффициенты фильтра , , и его порядок M .

Рис. 1.2. Структура фильтрации дискретного сигнала

В качестве входных переменных блока фильтрации выступают дискретный сигнал x(n), его  длина N, функция окна w(n), частота среза , частота дискретизации , а в качестве выходных – фильтрованный сигнал xН(n).

Цифровая фильтрация нерекурсивным фильтром требует  умножений.

1.3. Методика синтеза цифровых нерекурсивных фильтров

При синтезе нерекурсивных фильтров равенство (1.6), с учетом обратного преобразования Фурье, заменяется на (1.16), при этом считаем, что  является парной функцией, т.е. .

,  (1.16)

Если считать, что ФНЧ является идеальным, т.е.

при ,  при ,  

то на основании (1.16) получим

,   (1.17)

Спектр сигнала, обработанного ФВЧ, можно представить как разность исходного спектра и спектра, полученного в результате применения ФП, взятого с той же частотой среза, что и ФНЧ. Исходный спектр сигнала можно связать со всечастотным (или всепропускающим) фильтром, пропускающим все частоты. Коэффициенты всечастотного фильтра определены в виде

,    (1.18)

Исходя из этого

 (1.19)

Спектр сигнала, обработанного ФП, можно представить как разность спектров, полученных в результате применения двух ФНЧ, взятых с частотами среза  соответственно.

 (1.20)

Спектр сигнала, обработанного ФР, можно представить как разность исходного спектра и спектра, полученного в результате применения ФП, взятого с той же частотой среза, что и ФР. Исходя из (1.14), получим

или   (1.21)

1.4. Алгоритм Ремеза для построения оптимального цифрового нерекурсивного фильтра

Для цифрового нерекурсивного фильтра важную роль играет точность аппроксимации реализованной передаточной функции. Для оптимизации нерекурсивных фильтров наиболее распространен алгоритм Ремеза (рис.1.3). В основу алгоритма лежит представление задачи проектирования оптимального нерекурсивного фильтра с передаточной функцией  как задачи чебышевской аппроксимации, причем функция , аппроксимирующая передаточную функцию идеального фильтра , является суммой M-1 косинусоидальных функций.

,  (1.22)

В блоке 1.1 вычисляются частоты в полосах пропускания и непропускания , функции  - передаточная функция идеального фильтра,  - весовая функция ошибки аппроксимации, , ,  и  начальные экстремальные частоты .

Рис. 1.3. Алгоритм Ремеза

Таблица 8.1

Функции  и

Тип

ФНЧ

ФВЧ

ФП

ФР

Частоты ,  выбираются в полосах пропускания и непропускания, но не в полосах перехода. Для  ФНЧ, ФВЧ, ФП, ФР выбор  производится следующим образом

 (1.23)

 (1.24)

 (1.25)

(1.26)

где  ,  - шаг между выбираемыми частотами.

Начальные экстремальные частоты   выбираются из частот .

, , .  (1.27)

Функция  определена в виде

,  (1.28)

,   (1.29)

,   (1.30)

и  для приведены в табл. 8.1.

В блоке 1.2 вычисляется ошибка согласно (1.31)

,   (1.31)

В блоке 1.3 производится интерполяция функции

,      (1.32)

где ,

, .

В блоке 1.4 вычисляется взвешенная ошибка аппроксимации

,   (1.33)

В блоке 1.5 проверяется условие . Если оно выполняется – переход к блоку 1.8, иначе – к блоку 1.6.

В блоке 1.6 определяется количество локальных максимумов, обозначенное через R. В этом случае формулы (1.31)-(1.33) выполняются для частот , т.е. вычисляется количество  в которых .

В блоке 1.7 проверяется условие . Если оно выполняется – переход к блоку 1.8, иначе – к блоку 1.2.

В блоке 1.8 из R максимумов выбирается  M+1 наибольших и производится соответствующее изменение .

В блоке 1.9 на основании (8.1) вычисляются коэффициенты  с помощью обратного ДПФ

,  (1.34)

где , ,

В блоке 1.10 вычисляется импульсная характеристика для нерекурсивных фильтров с нечетным (1.35) и четным (1.36)  порядком M.

 (1.35)

 (1.36)


 

 

  

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

  

 

 

 

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81052. Современная дипломатия как средство регулирования МО 40.72 KB
  съезды конференции совещания и встречиподготовка и заключение многосторонних и 2х мн договоров Участие в работе мн организаций и их органовОсуществление постоянного представительства госва за границей чз посольстваПубликация дипломатическойдокументацииОсвещение в печати позиции правительства по мн вопросамНаиболее часто встречаемые формы диплом документации письма ноты меморандумы.Формы Д:1Двусторонняя Д осуществляемая на постоянной основе через представительства одного госва на территории др2 временная Д. путем посылки в др госво...
81053. МО в Восточной Азии 41.83 KB
  Высокая динамика развития в основе которой опережающие темпы роста стран Восточной Азии их успешный диалог между собой и с внерегиональными державами могут сделать Азиатско-тихоокеанский район основным центром мирового экономического и политического тяготения подобно тому как таким центром в предшествующие эпохи была Европа. Согласно первому к АТР относят гигантский район ограничиваемый западным побережьем обеих Америк восточным побережьем Азии и зоной Австралии. При такой интерпретации в АТР включают и страны Южной Азии.
81054. МО в Южной Азии 42.3 KB
  На долю Индии приходится 734 территории ЮА 765 населения региона и около 80 валового национального продукта производимого здесь так же в военном отношении. Доминирование Индии в регионе вызывает недоверие к ней порождает ощущение угрозы их безопасности. Индия рассматривает проблему обеспечения безопасности страны в рамках всего ЮА региона = стремление защитить и упрочить доминирующие позиции Индии в ЮА. у Пакистана есть атомная бомба и он готов ее применить для обороны от Индии.
81055. МО на Ближнем и Среднем Востоке 45.42 KB
  В качестве компенсации за кражу иракской нефти Саддам Хусейн требует от Кувейта выплаты 24 млрд. Стремясь всячески избежать разрастания конфликта правительство Кувейта заявляет о своей готовности обсудить все спорные вопросы и выделить Ираку займ в размере 9 млрд. 2 августа СБ ООН принимает резолюцию в которой осуждаются агрессивные действия Ирака и содержится требование о немедленном и безоговорочном выводе иракских войск из Кувейта. Арафат который не только одобрил аннексию Кувейта и призвал находившихся там палестинцев сотрудничать с...
81056. Латинская Америка в современных международных отношениях 47.54 KB
  Приток иностранного капитала в Латинскую Америку к середине десятилетия в среднем ежегодно составлял около 50 млрд. Она предусматривает создание единого экономического пространства от Аляски до Огненной Земли. Инициатива для Америк уже в начале десятилетия существенно динамизировала отношения США с латиноамериканскими странами.
81057. Африка в современных МО 46.87 KB
  Перестав быть ареной конфронтации Востока и Запада этот регион утратил свое стратегическое значение в системе внешнеполитических координат ведущих держав а опыт их политического и экономического сотрудничества с африканскими странами подвергся критической переоценке. В этой связи к началу 90х годов как в Африке так и за ее пределами стали распространяться крайне пессимистические настроения в отношении не только отдаленных но и ближайших перспектив региона. Источником афропессимизма стало прежде всего бедственное экономическое положение...
81058. Международные отношения как область науки. Основная проблема международных отношений как отрасли знания: объект, предмет 35.21 KB
  Основными понятиями теории МО являются: МО совокупность экономических политических правовых идеологических дипломатических военных культурных и других связей и взаимоотношений между субъектами действующими на мировой арене. В целом Мо это совокупность интеграционных связей между различными национальными сообществами и государствами формирующими единое мировое пространство. В МО включается внутренняя и внешняя политика Мировая политика Объект система связей в международных отношениях Предмет изучение систем связей.
81059. Понятие системы международных отношений: структура системы, элементы, связи между элементами 40.47 KB
  система международных отношений это совокупность составляющих ее элементов между которыми существуют устойчивые связи зависимости отношения . Главными объектами международных отношений являются прежде всего суверенные национальные государства. Различные комбинации участников МО варианты их коммуникации позволяют формировать различные типы международных систем МС.
81060. Типы международных систем. Функционирование и трансформация международных систем 39.5 KB
  выделяют исторические типы: вестфальская система МО 1648 г. идея баланса сил венская система 1814 г. идея единого управляющего центра идея Европейского концерта версальсковашингтонская система после 1 мировой войны и по ее результатам переход к биполярной системе и увеличение акторов ЯлтинскоПостдамсткая посде 2 мировой войны биполярная система легла в основу биполярного мира: противостояние ВостокЗапад С распадом СССР историческая типология заканчивается. Современная система большинством исследователей называется...