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

112 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

54414. ВИКОРИСТАННЯ МУЛЬТИМЕДІЙНИХ ЗАСОБІВ НАВЧАННЯ НА УРОКАХ ФІЗИКИ 946 KB
  Мета: навчити використанню операторів циклу при опрацюванні результатів лабораторної роботи Визначення модуля пружності гуми; розвити навики роботи у середовищі Turbo Pscl; виробляти вміння узагальнювати вивчений матеріал; виховувати в учнів уважність та відповідальність при виконанні завдань. Організаційний момент Викреслення мети основних завдань уроку ознайомлення з обладнанням необхідним для проведення лабораторної роботи та опрацювання результатів вимірювань. Виконання лабораторної роботи. Для виконання лабораторної...
54415. Модульное обучение на уроках химии 38.5 KB
  Она позволяет одновременно оптимизировать учебный процесс обеспечить его целостность в реализации целей обучения развития познавательной и личностной сферы учащихся. Данная технология основывается на самостоятельном добывании школьниками знаний в процессе работы с учебной научнопопулярной и справочной литературой в результате обучения. Важным достоинством данной технологии обучения является ее интеграционное качество ибо модуль как целостное единство содержания и технологии его изучения реализуется через комплекс технологий...
54416. Мохоподібні: будова, різноманітність, значення в природі та житті людини 1.32 MB
  Навчальна: ознайомити учнів з характерними рисами мохоподібних, особливостями розмноження, їхнім значенням у природі та господарстві людини. Розвиваюча: розвивати логічне та біологічне мислення, вміння працювати з дидактичним матеріалом, малюнками, схемами, таблицями, аналізувати спостереження та робити висновки. Виховна: сприяти формуванню основних уявлень про наукове пізнання світу, розвитку інтересу до вивчення природи; виховувати в учнів уміння слухати, культуру мови та спілкування.
54417. Молодь за здорове майбутнє. Виховний захід 41 KB
  Епіграф: Немає друга рівного здоровю; Немає ворога рівного хворобі Давньоіндійське прислівя Обладнання: компютер мультимедійний проектор екран плакати з написами Хід заходу Вихователь. Люди кажуть один одному при зустрічі: Доброго Вам здоровя. Вони бажають один одному здоровя.
54418. ІННОВАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ВИЯВЛЕННЯ, НАВЧАННЯ І ПІДТРИМКИ РОЗВИТКУ ОБДАРОВАНОЇ МОЛОДІ 367 KB
  Профільне навчання в сучасній школі як технологічне рішення по створенню розвивального середовища для обдарованої молоді. Теоретичний аналіз світового досвіду профільної диференціації навчання.Сутність мета і принципи профільного навчання.
54419. Молюски 137.5 KB
  Мета: перевірити та узагальнити знання учнів з теми, сприяти застосуванню теоретичного матеріалу, виховувати вміння звертатися до свого досвіду, розвивати творчу активність, пізнавальні інтереси учнів, продовжувати формувати вміння працювати з роздатковим матеріалом, додатковою літературою, порівнювати, узагальнювати, робити висновки.
54420. Тип Молюски 377 KB
  Цель урока: Обобщить и систематизировать знания учащихся об особенностях строения и физиологии моллюсков разных классов в связи с образом жизни их значении в экосистемах и для человека ; Развивать интеллектуальные и умственные способности: умения анализировать сравнивать логически мыслить делать выводы; Воспитывать бережное отношение к природе развивать экологическое мышление; формировать культуру общения поддерживать психологический микроклимат доверия толерантного отношения друг к другу. Учащиеся должны знать: Общие признаки...
54421. Money 147.5 KB
  So, we need many things to be happy and one of them is money . Today we are going to talk about money and everything connected with it. You know how important money is in our life. Practically all our life is based on money. The majority of relations in the modern world are based on money.
54422. MONEY MAKES THE WORLD GO ROUND 72 KB
  And now you can read the key -word. Its the topic of our today lesson. Lets begin our discussion with the song. You know, friends, that there are so many different songs about money. Id like you to listen to one of the most famous ones sung by legendary group ABBA. Youve heard it already. But while listening fill in the gaps with the necessary words from the list below.